Impact of genotoxins on cardiovascular differentiation of murine and human stem- and progenitor cells: Relevance of mechanisms of DNA repair and DNA damage response (DDR)

Zusammenfassung

Hintergrund: Die Mechanismen der DNA-Reparatur und der DNA-Schadensreaktion (DNA Damage Response, DDR) sind wichtige Regulatoren für die genetische Stabilität und folglich für das Überleben und den Tod durch genotoxische Substanzen, einschließlich Krebsmedikamente. Aufgrund ihrer Barrierefunktion sind Endothelzellen besonders hohen Konzentrationen von systemisch vorhandenen toxischen Substanzen ausgesetzt. Wir stellen die Hypothese auf, dass kardiovaskuläre Zelltypen über wirksame Abwehrmechanismen gegen DNA-Schäden verfügen, um die genomische Integrität und die kardiovaskuläre Gesundheit zu erhalten. Die dosisbegrenzende unerwünschte Wirkung von Krebsmedikamenten vom Anthrazyklin-Typ ist die irreversible Kardiotoxizität. Der Beitrag von kardiovaskulären Vorläuferzellen und differenzierten Nachkommen zur Pathophysiologie von Anthrazyklin-induzierten Herzschäden ist unbekannt.

Ziel: Das Projekt zielt darauf ab, die Reaktion von kardiovaskulären Vorläuferzellen der Maus und des Menschen auf Doxorubicin zu charakterisieren. Neben der Identifizierung von linienspezifischen Abwehrmechanismen soll die Auswirkung von Doxorubicin auf die Differenzierungseffizienz der Vorläuferzellen und die Funktionalität der davon abgeleiteten differenzierten Nachkommen untersucht werden.

Experimentelles Vorgehen / Arbeitsprogramm: Die Empfindlichkeit von murinen embryonalen Stammzellen (mESC) und humanen induzierten pluripotenten Stammzellen (hiPSC) sowie deren in vitro differenzierte Nachkommen (Endothelzellen, Kardiomyozyten) werden nach Behandlung mit Doxorubicin und ionisierender Strahlung zur Kontrolle untersucht. Die Bildung und Reparatur von DNA-Schäden, die Zellzyklusprogression, Veränderungen der Genexpression, die Aktivierung von DDR-Mechanismen und die Induktion von Zelltod und Seneszenz werden in dosis- und zeitkinetischen Analysen mit modernsten Methoden analysiert. Darüber hinaus wird der Einfluss von Krebstherapeutika sowie von pharmakologischen Modifikatoren der DNA-Reparatur/DDR auf die Wirksamkeit des Differenzierungsprozesses und die Funktionalität der differenzierten Nachkommenschaft untersucht. Zu diesem Zweck wird die mRNA- und Proteinexpression von zelltypspezifischen Markern und prototypischen Endothel- und Kardiomyozytenfunktionen analysiert. Das Projekt wird in enger Zusammenarbeit mit anderen Mitgliedern des GRK 2578 durchgeführt.

Aktuelle Veröffentlichungen:

1. Hennicke, T. et al. mESC-based in vitro differentiation models to study vascular response and functionality following genotoxic insults. Toxicol Sci 144, 138-150, doi:10.1093/toxsci/kfu264 (2015).
2. Henninger, C. et al. Distinct contribution of Rac1 expression in cardiomyocytes to anthracycline-induced cardiac injury. Biochem Pharmacol 164, 82-93, doi:10.1016/j.bcp.2019.03.038 (2019).
3. Ohlig, J. et al. Rac1-mediated cardiac damage causes diastolic dysfunction in a mouse model of subacute doxorubicin-induced cardiotoxicity. Arch Toxicol 92, 441-453, doi:10.1007/s00204-017-2017-7 (2018).
4. Jahn, S. K. et al. Distinct influence of the anthracycline derivative doxorubicin on the differentiation efficacy of mESC-derived endothelial progenitor cells. Biochim Biophys Acta Mol Cell Res 1867, 118711, doi:10.1016/j.bbamcr.2020.118711 (2020).
5. Huelsenbeck, J. et al. Inhibition of Rac1 signaling by lovastatin protects against anthracycline-induced cardiac toxicity. Cell Death Dis 2, e190, doi:10.1038/cddis.2011.65 (2011).