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Authors: Dörsam, Bastian
Title: Role of PARP-1 in colitis-associated colorectal cancer induced by alkylating N-nitroso compounds
Online publication date: 23-May-2017
Year of first publication: 2017
Language: english
Abstract: Poly(ADP-ribose) polymerase-1 (PARP-1), which catalyses the synthesis of poly(ADP-ribose), is implicated in a variety of cellular processes, such as chromatin remodelling and DNA repair. PARP-1 is well-known to promote base excision repair, a conserved pathway that removes DNA base modifications, including alkylated DNA bases. These lesions are induced by N-nitroso compounds (NOCs) that are tightly linked to the aetiology of colorectal cancer (CRC). It is further known that PARP-1-deficient mice display an enhanced sensitivity against alkylating agents in terms of toxicity and genomic instability. The objective of this work was to assess the influence of PARP-1 on colitis-associated CRC induced by NOCs. PARP-1-proficient (WT) and PARP-1-deficient (PARP-1-/-) mice were treated with the colonotropic tumour initiator azoxymethane (AOM) followed by dextran sodium sulphate (DSS), which triggers colitis. Tumour formation was monitored by non-invasive mini endoscopy. WT mice displayed a significantly higher tumour number and tumour score compared to PARP-1-/- animals, which correlated with the AOM dose. Analysis of initial DNA damage induction in both genotypes revealed an increased number of DNA strand breaks in PARP-1-/- animals, but comparable levels of O6-methylguanine (O6-MeG) DNA adducts in both genotypes. The latter is the critical lesion driving NOC-induced CRC. In line with this, the activity of O6-methylguanin-DNA methyltransferase (MGMT), which is responsible for the repair of O6-MeG DNA adducts, was depleted in both mouse strains in liver and colon. PARP-1-proficient and PARP-1-deficient mice did not display differences in basal cell proliferation or AOM-induced cell death in colorectal tissue. As PARP-1 is a known coregulator of the pro-inflammatory transcription factor nuclear factor 'kappa-light-chain-enhancer' of activated B-cells (NF-κB), the acute DSS-induced inflammation was assessed in WT and PARP-1-/- mice by mini endoscopy. WT animals exhibited significantly stronger colitis in response to AOM/DSS, which is in line with a higher abundance of the NF-kB-inducible cyclooxygenase-2 (COX-2). IHC and confocal microscopy showed strongly decreased numbers of monocytes and macrophages in colon tissue of PARP-1-/- animals. Accordingly, expression of the cytokine high mobility group box 1 (HMBG1), which is tightly linked to inflammation, was reduced in PARP-1 k.o. mice. The number of cluster of differentiation 3 (CD3)-positive T-cells, associated with the adaptive immune response, was similar in both genotypes. Our group recently demonstrated the high sensitivity of MGMT k.o. animals to NOC-induced CRC (Fahrer et al. 2015). Therefore, the role of inflammation driven tumour promotion was dissected in PARP-1 k.o. animals treated with the MGMT inhibitor O6-benzylguanine (O6-BG) prior to the AOM/DSS protocol. Inhibition of MGMT caused a clear increase in both tumour score and number, likely attributable to a higher induction of mutagenic O6-MeG DNA adducts in absence of MGMT. This was further studied with the help of a PARP-1-/-/MGMT-/- double knock out (DKO) strain. Interestingly, DKO mice displayed a higher tumour number but lower mean tumour size compared to MGMT-deficient animals.
Das Enzym Poly(ADP-ribose)-Polymerase-1 (PARP-1) katalysiert die Synthese von Poly(ADP-ribose) und ist darüber hinaus an einer Vielzahl zellulärer Prozesse wie Remodellierung des Chromatins und DNA-Reparatur beteiligt. PARP-1 fördert die Basenexzisionsreparatur, einen evolutionär konservierten DNA-Reparaturmechanismus, der Basenmodifikationen wie Alkylierungen entfernt. DNA-Alkylierungen können durch N-Nitrosoverbindungen (NOCs) hervorgerufen werden, die dafür bekannt sind, Darmkrebs zu verursachen. Es ist beschrieben, dass PARP-1-defiziente Mäuse empfindlich gegenüber den toxischen Wirkungen von NOCs sind. In dieser Arbeit wurde die Rolle von PARP-1 in der entzündungsvermittelten Darmkrebsentstehung nach Induktion mit NOCs untersucht. Hierzu wurden PARP-1-profiziente (PARP-1+/+) und PARP-1-defiziente (PARP-1-/-) Mäuse zuerst mit dem kolonotrop Tumorinitiator Azoxymethan (AOM) und danach mit der kolitisauslösenden Substanz Dextran-Natriumsulfat (DSS) behandelt. Die Tumorentstehung wurde mittels nichtinvasiver Miniendoskopie überprüft. PARP-1+/+ Mäuse zeigten in Abhängigkeit von der AOM-Dosis eine signifikant erhöhte Tumoranzahl und Tumorscore im Vergleich zu PARP-1-/- Tieren. Ausgehend von diesem Befund wurde im Folgenden die DNA-Schadensinduktion untersucht. Die Analyse der durch AOM ausgelösten initialen DNA-Schäden in beiden Genotypen zeigte eine höhere Anzahl an DNA-Strangbrüchen in den PARP-1-defizienten Tieren, wohingegen das Niveau der O6-Methylguanin (O6-MeG) DNA-Addukte in beiden Stämmen vergleichbar war. O6-MeG ist die Läsion, die hauptsächlich für die Entstehung von durch NOCs ausgelöstem Dickdarmkrebs verantwortlich ist. In Übereinstimmung damit kam es zu einer Depletion der Aktivität der O6-Methylguanin-DNA-Methyltransferase (MGMT), die für die Reparatur von O6-MeG DNA-Addukten verantwortlich ist, in Leber- und Kolongewebe von WT und PARP-1-defizienten Tieren. Außerdem konnten weder Unterschiede in der basalen Proliferationsrate noch Zelltodinduktion durch AOM im Kolongewebe beider Mausstämme festgestellt werden. Da PARP-1 ein wichtiger Coregulator des entzündungsfördernden Transkriptionsfaktors nuclear factor 'kappa-light-chain-enhancer' of activated B-cells (NF-κB) ist, wurde die durch DSS ausgelöste Kolitis mittels Miniendoskopie beurteilt. PARP-1+/+ Mäuse zeigten eine signifikant stärker ausgeprägte Dickdarmentzündung als PARP-1-/- Mause nach Behandlung mit AOM/DSS, die mit einer stärkeren Induktion der NF-κB-induzierten Cyclooxygenase-2 (COX-2) einherging. Mittels Immunhistochemie und konfokaler Mikroskopie wurde eine deutlich reduzierte Anzahl an Makrophagen und Monozyten im Kolongewebe der PARP-1-/- Tiere festgestellt. Dementsprechend konnte eine signifikant verringerte Expression des Zytokins high mobility group box 1 (HMBG1), was in engem Zusammenhang mit Entzündungsprozessen steht, im Kolon von PARP-1-defizienten Mäusen beobachtet werden. Die Anzahl der cluster of differentiation 3 (CD3)-positiven T-Zellen, die ein wesentlicher Bestandteil der spezifischen Immunantwort sind, war hingegen in beiden Genotypen vergleichbar. Unsere Gruppe demonstrierte kürzlich die hohe Empfindlichkeit von MGMT k.o. Mäusen gegenüber NOC-induziertem ausgelösten Dickdarmkrebs (Fahrer et al. 2015). Daher wurde die entzündungsvermittelte Tumorpromotion weiter in PARP-1-defizienten Tieren analysiert, die mit dem MGMT-Hemmer O6-Benzylguanin (O6-BG) vorbehandelt wurden. Die Hemmung von MGMT verursachte einen deutlichen Anstieg von Tumoranzahl und Tumorscore, was vermutlich auf die stärkere Induktion von mutagenen O6-MeG DNA Addukten in Abwesenheit von MGMT zurückzuführen ist. Dies wurde im Detail mithilfe eines PARP-1-/-/MGMT-/- Doppel-Knockout-(DKO) Stamms untersucht. Interessanterweise wiesen DKO-Mäuse eine höhere Tumoranzahl, aber geringere mittlere Tumorgröße als MGMT-/- Tiere auf. Zusammenfassend lässt sich aus den Experimenten ableiten, dass der Verlust von PARP-1 eine Resistenz gegenüber entzündungsvermitteltem Dickdarmkrebs verleiht, die größtenteils auf die verminderte Entzündungsantwort im Kolon zurückgeführt werden kann. Die verminderte Tumorentstehung kann durch die Hemmung von MGMT reviertiert werden. Die erhöhte Tumoranzahl in den DKO-Tieren weist auf die schützende Wirkung von PARP-1 während der Tumorinitiation hin, wohingegen die geringere mittlere Tumorgröße die Rolle der Entzündung bei der Tumorpromotion bestätigt. Diese Arbeit lässt wichtige Schlussfolgerungen auf die Entstehung und Therapie von Colitis-assoziiertem Dickdarmkrebs zu.
DDC: 570 Biowissenschaften
570 Life sciences
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: FB 04 Medizin
Place: Mainz
ROR: https://ror.org/023b0x485
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-841
URN: urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000013192
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: In Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent: XII, 173 Seiten
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