De rol van SLX4 in de reparatie van DNA-schade

Onderzoekers van de Knipscheer groep hebben de rol van SLX4 in de reparatie van een specifieke vorm van DNA-schade, zogenaamde “DNA interstrand crosslinks”, verder ontrafeld. Als deze schade niet gerepareerd wordt leidt het tot celdood. Mutaties in SLX4 maken cellen gevoeliger voor DNA interstrand crosslinks en kunnen Fanconi anemia veroorzaken, een genetische aandoening die vaak leidt tot beenmergfalen en die de kans op kanker verhoogt. De onderzoekers hebben gevonden dat specifieke regio’s van SLX4 essentieel zijn voor de reparatie van DNA interstrand crosslinks, terwijl andere regio’s hiervoor overbodig zijn. De resultaten van dit onderzoek zijn op 21 december gepubliceerd in Nucleic Acids Research.

Elke dag worden onze cellen geconfronteerd met duizenden voorvallen van DNA-schade in verschillende vormen. Als deze schade niet adequaat wordt gerepareerd leidt dit tot mutaties in het DNA die genetische ziektes kunnen veroorzaken. Een uitzonderlijk toxische vorm van DNA-schade is de zogenaamde “DNA interstrand crosslink” (ICL). Bij ICL zijn de twee DNA strengen aan elkaar geplakt, waardoor ze niet van elkaar los kunnen komen. Het scheiden van de twee stengen is echter nodig voor belangrijke cellulaire processen, zoals genexpressie, de activatie van genen, en DNA-replicatie; het verdubbelen van al het DNA voorafgaand aan celdeling. Niet gerepareerde ICL’s leiden vaak tot celdood. Van dit effect van ICL’s wordt gebruikgemaakt in chemotherapie: ICL inducerende stoffen worden gebruikt om de kankercellen te doden.

SLX4 leidt de endonuclease XPF-ERCC1 naar ICL’s om daar een knip in het DNA te maken en een van de DNA strengen los te haken van de ICL. Dit is nodig voor ICL-reparatie. Andere endonucleases die geassocieerd zijn met SLX4 zijn hiervoor niet nodig. Een onbekende factor is wellicht verantwoordelijk voor een tweede DNA knip.

Een gespecialiseerd mechanisme voor het repareren van ICL’s wordt geactiveerd tijdens DNA-replicatie. De Fanconi anemia pathway, die op dit moment bestaat uit 22 eiwitten, is betrokken bij dit complexe reparatieproces. In vergelijking met andere DNA-reparatie pathways weten we nog maar heel weinig over deze ICL-reparatie pathway. Een essentiele stap in dit gespecialiseerde proces is het ‘loshaken’ van de crosslink van een van de DNA strengen, door het DNA te knippen aan beide kanten van de ICL. Voor dit proces zijn endonucleases nodig, eiwitten die het DNA kunnen knippen. Recent zijn verschillende details rondom de rol van de onmisbare endonuclease XPF-ERCC1 blootgelegd door de Knipscheer groep en andere onderzoekers. De rol van SLX4, een groot koppel-eiwit dat drie endonucleases, waaronder XPF-ERCC1, naar verschillende soorten DNA-schade leidt, was tot nu toe echter nog grotendeels onbekend.

De onderzoekers hebben de biochemische rol van SLX4 in de reparatie van ICL’s bestudeerd in een modelsysteem dat is gebaseerd op eiwitextracten van eitjes van de Xenopus laevis kikker. Dit systeem maakt gebruik van vooraf gemaakte ICL’s zonder het gebruik van ICL inducerende stoffen die verschillende soorten DNA-schade zouden veroorzaken. Daardoor konden ze specifiek de moleculaire mechanismes van de tot nu toe weinig bestudeerde ICL-reparatie onderzoeken.

De onderzoekers ontdekten dat het verwijderen van SLX4 uit het modelsysteem de reparatie van ICL’s verhinderde, terwijl het toevoegen van opgezuiverde SLX4 eiwitten het vermogen tot reparatie herstelde. Op vergelijkbare wijze bestudeerden ze de effecten van het toevoegen van gemuteerde SLX4 eiwitten. Met deze aanpak ontdekten de onderzoekers dat twee derde van het SLX4 eiwit verwijderd kon worden zonder dat de reparatiecapaciteit van het eiwit verloren ging. Deze voor ICL-reparatie overbodige regio bevat vele locaties die zorgen voor interacties met andere eiwitten, waaronder twee verschillende endonucleases. Deze ontdekking begrenst daarmee drastisch de rol van SLX4 in de reparatie van ICL’s. Daarnaast ontdekten de onderzoekers dat de interactie tussen SLX4 en de endonuclease XPF-ERCC1 essentieel is voor de ICL-reparatie.

De huidige studie verschaft nieuwe inzichten in de mechanismes waarmee deze toxische DNA-schade wordt gerepareerd. Een beter begrip van dit mechanisme kan bijdragen aan de ontwikkeling van nieuwe therapeutische behandelingen van kanker. ICL-reparatie factoren kunnen worden gebruikt als bio-markers voor behandeling met ICL-inducerende stoffen. Daarnaast kunnen specifieke ICL-reparatie remmers worden ontwikkeld die bijvoorbeeld de behandeling efficiënter maken of de resistentie tegen de behandeling tegengaan.

Wouter S. Hoogenboom, Rick A.C.M. Boonen and Puck Knipscheer. The role of SLX4 and its associated nucleases in DNA interstrand crosslink repair. Nucleic Acids Research 2018.

Puck Knipscheer is groepsleider bij het Hubrecht Instituut en Oncode Investigator.