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Main Title: Einfluss von Arsenverbindungen auf die Funktion der DNA-Reparaturproteine Fpg, XPA und PARP-1
Translated Title: Impact of arsenic compounds on the function of the DNA repair proteins Fpg, XPA und PARP-1
Author(s): Walter, Ingo
Advisor(s): Hartwig, Andrea
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: In weiten Teilen der Welt sind Millionen von Menschen einer Exposition gegenüber Arsen durch das Trinkwasser ausgesetzt. Nach chronischer Arsenexposition kann es neben anderen Krankheiten zu einer Krebsentstehung in verschiedenen Organen kommen. Es wird davon ausgegangen, dass vor allem die Induktion von oxidativen DNA-Schäden und die Hemmung von DNA-Reparaturprozessen eine entscheidende Rolle in der nach wie vor nicht vollständig verstandenen arseninduzierten Kanzerogenese spielt. In den letzten Jahren wurden reaktive methylierte Metabolite im menschlichen Urin nachgewiesen, die ein ähnliches oder sogar höheres genotoxisches Potential als das anorganische Arsenit besitzen. Da Arsen eine hohe Affinität zu Thiolgruppen besitzt, stellen so genannte Zinkfingerstrukturen, in denen Zink durch vier Cystein- und/oder Histidin-Reste komplexiert wird, einen potentiellen Angriffspunkt dar. In der vorliegenden Arbeit wurden daher die drei DNA-Zinkfinger-Reparaturproteine Formamidopyrimidin-DNA-Glykosylase (Fpg), Xeroderma Pigmentosum Protein A (XPA) und Poly(ADP-Ribose)polymerase-1 (PARP-1) auf ihre Wechselwirkungen mit Arsenverbindungen untersucht. In einem ersten Versuch konnte für die bakterielle Fpg nachgewiesen werden, dass die methylierten dreiwertigen Arsenverbindungen monomethylarsonige Säure (MMA(III)) und dimethylarsinige Säure (DMA(III)) in mikromolaren bis millimolaren Konzentrationen in der Lage sind, eine Hemmung hervorzurufen, während Arsenit und die fünfwertigen Metabolite Monomethylarsonsäure (MMA(V)) und Dimethylarsinsäure (DMA(V)) keine Reaktion zeigten. Im Falle von menschlichem XPA wurde untersucht, ob die Arsenverbindungen Zink aus einer synthetischen Zinkfingerdomäne freizusetzen können. Auch hier konnte ausschließlich die dreiwertigen Verbindungen eine Zinkfreisetzung nachgewiesen werden, wobei die methylierten Metabolite in 10-fach niedrigeren Konzentrationen reagierten als anorganisches Arsenit. Als ein möglicher erster molekularer Ansatzpunkt auf zellulärer Ebene wurde die zwei Zinkfingerstrukturen enthaltende PARP-1 identifiziert. Hier konnte gezeigt werden, dass Arsenit und seine dreiwertigen methylierten Metabolite die Poly(ADP-Ribosyl)ierung in niedrigen nanomolaren Konzentrationen reduzieren, während die fünfwertigen methylierten Metabolite bis zu einer Konzentration von 500 µM keinen Effekt hervorriefen. Im Folgenden konnte zusätzlich gezeigt werden, dass auch isolierte PARP-1 durch die dreiwertigen Arsenverbindungen gehemmt wird, wobei die Hemmung erst in höheren Konzentrationen als im zellulären System auftrat. Die Hemmung der Poly(ADP-Ribosyl)ierung durch dreiwertige Arsenverbindungen ist sowohl im zellulären, wie auch im isolierten System die bisher sensitivste Störung einer enzymatischen Reaktion, die direkt mit der Reparatur der DNA verbunden ist. Die Hemmung von wichtigen DNA-Reparaturproteinen mit Zinkfingerstrukturen wie PARP-1 oder XPA speziell durch dreiwertige Arsenmetabolite könnte damit einen entscheidenden Mechanismus der arseninduzierten Genotoxizität und damit auch der Kanzerogenese darstellen. Gedruckte Version im Logos Verlag Berlin [http://www.logos-verlag.de]erschienen.
In many parts of the world millions of people are exposed to arsenic via drinking water. One of the major problems related to arsenic exposure is the increased occurrence of cancer in different organs. It is assumed that the induction of oxidative DNA damage and the inhibition of DNA repair processes play a decisive role in arsenic induced carcinogenesis. Inorganic arsenic is mainly metabolised to methylated pentavalent metabolites in the human body. For a long time, this reaction has been thought be to be a detoxifying process. However, in the last years reactive trivalent methylated metabolites were detected in the human urine, which even have a higher genotoxic potential as compared with inorganic arsenic. As arsenic has a high affinity to thiol groups, especially so called zinc finger structures in proteins, where zinc is complexed by four invariant cystein and/or histidin residues, are potential molecular targets. Thus in the present work different arsenic compounds were investigated with respect to their interactions with the DNA repair proteins formamidopyrimidin DNA glycosylase (Fpg), Xeroderma Pigmentosum protein A (XPA) and poly(ADP-ribose)polymerase-1 (PARP-1). In a first approach the bacterial Fpg was shown to be inhibited by the methylated trivalent arsenic compounds monomethylarsonous (MMA(III)) and dimethylarsinous acid (DMA(III)) in micromolar to mllimolar concentrations, whereas arsenic and the pentavalent metabolites monomethylarsonic (MMA(V)) and dimethylarsinic acid (DMA(V)) showed no effect. In case of human XPA, it was investigated if arsenic compounds are able to release zinc from a synthesised zinc finger domain. Similar to Fpg, only the trivalent compounds were able to release zinc, whereas the methylated metabolites reacted in lower concentrations as compared with arsenite. As a potential molecular target in cells the zinc finger enzyme PARP-1 was identified. Here it could be shown that arsenic and its trivalent methylated metabolites reduced poly(ADP-ribosyl)ation in low nanomolar, non cytotoxic concentrations, whereas the pentavalent metabolites exhibited no effect up to 500 µM. Additionally also isolated PARP-1 was inhibited by trivalent arsenic compounds. Up to now the inhibition of the poly(ADP-ribosyl)ation by trivalent arsenic compounds both in the cellular and the isolated system is the most sensitive enzymatic reaction directly linked to DNA repair. The inhibition of important DNA repair proteins containing zinc finger structures like PARP-1 and XPA especially by trivalent arsenic metabolites appears to be one important mechanism in arsenic induced genotoxicity and thus carcinogenesis. Printed version available from Logos Verlag Berlin [http://www.logos-verlag.de].
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-15956
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1928
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1631
Exam Date: 4-May-2007
Issue Date: 3-Jul-2007
Date Available: 3-Jul-2007
DDC Class: 570 Biowissenschaften; Biologie
Subject(s): Arsen
PARP-1
DNA-Reparatur
methylierte Arsenmetabolite
XPA
Arsenic
PARP-1
DNA repair
methylated arsenic metabolites
XPA
Usage rights: Terms of German Copyright Law
ISBN: 978-3-8325-1598-0
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