Einfluss von Arsenverbindungen auf die Funktion der DNA-Reparaturproteine Fpg, XPA und PARP-1

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 gezeigt 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 zeigten ausschließlich die dreiwertigen Verbindungen eine Zinkfreisetzung, 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, nicht zytotoxischen Konzentrationen reduzieren, während die fünfwertigen methylierten Metabolite bis zu einer Konzentration von 500 micrometern keinen Effekt zeigten. 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.