Einflüsse strahleninduzierter, multipler und einzelner spezifisch-targetierter DNA-Strangschäden auf die übergeordnete meso- und nanoskalige Chromatinarchitektur und die Topologie von Reparaturfoci; Akronym: NANOSTRANG; Teilprojekt A

Abstract

Es wurde eine Toolbox zur Auswertung von Koordinatendatensätzen programmiert, die durch Einzelmolekül-Lokalisationsmikroskopie erstellt wurden. Neben statistischen Daten zu Punktwolken und Clusterungsverfahren stellt die Ripley-Statistik paarweiser Punktabstände ein geeignetes Tool dar, lokale Geometrien zu erfassen. Basierend auf Persistenter Homologie können sowohl lokale auch den gesamten Zellkern erfassende Topologien von Chromatin berechnet und verglichen werden. Darüber hinaus können durch Hauptkomponentenanalyse wesentliche Veränderungen des Chromatins während der DNA-Reparatur untersucht und von Effekten „biologischen Rauschens“ getrennt werden. • Die räumliche Organisation von Heterochromatin verändert sich mit der Aktivierung von Funktionen und damit auch bei der DNA-Reparatur. Dagegen zeigt die räumliche Organisation von γH2AX-Clustern keinen Unterschied in Bezug auf das Zellschicksal. Die Zahl der Cluster repräsentiert die Zahl der Schäden. Die räumliche Organisation der γH2AX-Cluster scheint zunächst an allen Schadensorten innerhalb biologischer Unschärfen gleich. • low-LET Elektronen aus radioaktivem Zerfall führen bei geringer Dosis (< 100 mGy) zu ein bis zwei Schadensfoci im Zellkern. Es bilden sich γH2AX Cluster, die wie bei Photonen- und Ionenstrahlungsschäden Doppelstrangbrüche signalisieren und bei entsprechender Reparatur von 53BP1 abgedeckt bzw. von MRE11 inkorporiert werden. Findet ein solcher Doppelstrangbruch im Heterochromatin statt, kann es zunächst im Gegensatz zu Schäden bei höheren Dosen zu keiner Relaxation des Heterochromatins kommen, so dass γH2AX und H3K9me3 Marker kolokalisieren und sich in ihrer räumlichen Organisation aneinander anpassen. • Strahlenresistente Zellinien (z.B. SkBr3) zeigen geringere topologische Veränderungen nach Bestrahlung mit unterschiedlichen Dosen als strahlensensitive Zellinien (z.B. Jurkat). Nach einer Strahlenexposition durch 125I-UdR oder externe Strahlenquellen kommt es entlang der anschließenden er-folgreichen Reparatur zu einer reversiblen Umorganisation. Jurkat-Zellen mit entsprechender Strahlenexposition und zu verschiedenen Reparaturzeiten wurden vom Partner FZ-Jülich zur Verfügung gestellt. • MRE11 stellt einen „Fußabdruck“ von Chromatin dar und ist ein idealer Marker zur Analyse der Chromatinorganisation mittels topologischer Methoden. Es konnte gezeigt werden, dass nach Exposition mit hoch-LET Elektronen oder Ionen Zellen wie Jurkat oder U87 zwar eine vollständige Reparatur abwickeln können, jedoch abschließend eine andere Chromatinorganisation als vor der Strahlenexposition aufweisen. Dagegen ist nach low-LET Photonenbestrahlung eine zyklische Re-Organisation des Chromatins möglich. • γH2AX sowie 53BP1 Cluster zeigen eine definierte Topologie, die sich während der Reparatur ändert. Während hier bei Photonenstrahlung bei Fibroblasten ein zyklischer Verlauf beobachtet wurde, der im Bereich der Kontrollen endete, waren die Reparaturverläufe nach Inkorporation von 125I-UdR zwar zyklisch aber separiert von den Kontrollen. 53BP1 bildet ebenfalls Cluster, die von der Behandlung in der Größe relativ unabhängig sind. Bei den Jurkat-Zellen liegt die größte Zahl der Cluster 1 Stunde nach Reparaturstart vor, die sich jedoch topologisch je nach Behandlung unterscheiden können. Wie bei den γH2AX Clustern beobachtet man nach low-LET Photonenbestrahlung einen zyklischen Verlauf der Topologie im Latentraum, was bei der high-LET Behandlung nach 125I-UdR Inkorporation nicht zu beobachten war. Datei-Upload durch TIB