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Analyse der Genexpression und Charakterisierung der biologischen Wirkung in der humanen T-Lymphom-Zelllinie Jurkat nach Exposition mit verschiedenen Strahlenqualitäten

Unverricht-Yeboah, Marcus

Das Hauptziel der vorliegenden Arbeit war es mittels Genexpressionsanalysen charakteristische Genexpressionsänderungen und robuste Gensignaturen in Jurkat-Zellen zu detektieren, mit deren Hilfe die Strahlenqualitäten γ-Strahlung, α-Strahlung und Auger-Elektronen eindeutig voneinander diskriminiert werden können und die gegebenenfalls die Möglichkeiten der genexpressionsbasierten Biodosimetrie wesentlich erweitern könnten. Für die γ-Bestrahlung wurde eine 137Cs-Quelle und für die α-Bestrahlung eine 241Am-Flächenquelle verwendet. Als Auger-Elektronen-Emitter (AEE) wurde 123Iododeoxyuridin (123IdU) verwendet, welches als Thymidinanalogon direkt in die DNA eingebaut wird. Aufgrund der großen Inhomogenität der Energiedeposition bei niederenergetischen Auger-Elektronen und α-Strahlung wurden auf Basis der Apoptoseinduktion, der Mikrokernbildung und der γ-H2AX Foci-Bildung Äqui-Effektdosen aller drei verwendeten Strahlenqualitäten für die Genexpressionsstudien ermittelt. Um den Vergleich der Strahlenqualitäten über die absorbierte Strahlendosis zu ermöglichen, wurde die Dosimetrie für den AEE 123I optimiert. Hierfür wurde die zelluläre Uptake-Rate und DNA-Einbaukinetiken bestimmt sowie 3D-Zellvermessungen durchgeführt. Bei der Genexpressionsanalyse konnten Kandidatengene identifiziert werden, die mittels Genexpressionsänderung die Diskriminierung der drei Strahlenqualitäten γ-, α-Strahlung und AEE-Exposition erlauben: vier Gene für γ-Strahlung vs. 123IdU-Exposition, jeweils ein Gen für γ-Strahlung vs. α-Strahlung bzw. α-Strahlung vs. 123IdU-Exposition. Die Regulationen der biologischen Prozesse bzw. Signalwege „Nukleosomenorganisation“, „Systemische Lupus erythematodes Signalweg“ sowie „Apoptoseregulation“ waren nach Exposition mit allen drei untersuchten Strahlenqualitäten signifikant verändert. Exklusiv waren nach γ-Bestrahlung die biologischen Prozesse bzw. Signalwege „Positive Regulation der DNA-Reparatur“, „Negative Zellzyklusregulation“, „Steroidmetabolismus und –biosynthese“ sowie „Antigenprozessierung und -präsentation“ signifikant reguliert. Nach 123IdU-Exposition waren exklusiv die biologischen Prozesse bzw. Signalwege „Zytokin-Zytokin-Rezeptorinteraktion“ und „Transkriptionsregulation“ signifikant verändert. Nach α-Bestrahlung war exklusiv der „Kalziumsignalweg“ signifikant reguliert. Im Vergleich der drei untersuchten Strahlenqualitäten wurde bei gleicher absorbierter Strahlendosis Apoptose durch α-Bestrahlung am effektivsten induziert, während für die Mikrokernbildung keine strahlenqualitativen Unterschiede beobachtet wurden. Die mittlere γ H2AX Signalintensität in Jurkat-Zellen war bei gleicher absorbierter Strahlendosis nach 123IdU-Exposition im Vergleich mit γ-Bestrahlung stark erhöht, während die mittlere γ H2AX Signalintensität nach 123IdU- und α-Exposition vergleichbar stark ausgeprägt war. Erstmalig wurde in einem Zellsystem gezeigt, dass pro 123IdU-Zerfall im Mittel 0,16 γ-H2AX Foci gebildet werden. Die einzelnen Foci waren dabei bezüglich Größe und Signalintensität vergleichbar mit Foci γ bestrahlter Zellen, so dass die postulierte Komplexität von DNA-Läsionen nach AEE-Exposition sich in der Morphologie der individuellen γ-H2AX Foci nicht abbildet. Insgesamt konnte das Hauptziel der vorliegenden Arbeit erreicht werden. Aufgrund der geringen Anzahl der identifizierten Gene, die die Diskriminierung der verschiedenen Strahlenqualitäten erlauben, ist allerdings die Implementierung dieser Gene für die Anwendung bei genexpressionsbasierten Biodosimetriemethoden eher als schwierig zu erachten. Dennoch sind die gewonnenen Erkenntnisse sehr wertvoll, da sie zeigen, dass die zelluläre Strahlenantwort auf Basis der Genexpression prinzipiell nicht nur bezüglich der Dosishöhe sondern auch bezüglich der Strahlenqualität signifikant unterschiedlich ist.

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Zitierform:

Unverricht-Yeboah, Marcus: Analyse der Genexpression und Charakterisierung der biologischen Wirkung in der humanen T-Lymphom-Zelllinie Jurkat nach Exposition mit verschiedenen Strahlenqualitäten. 2016.

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