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Synthetisch letale Strategie für die individuelle Sensitivierung von Lungenkarzinom Zelllinien mit Vulnerabilität im SWI/SNF Komplex gegenüber der Strahlentherapie

Zernickel, Erika

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Einfluss der Chromatin-Remodellierung durch den SWI/SNF-Komplex auf die Strahlenantwort von Zellen. Dazu wurde die ATPase Untereinheit SMARCA2/BRM in SMARCA4/Brg1-mutierten und -wildtyp Zelllinien mittels siRNA depletiert und anschließend der Einfluss auf das Überleben der Zellen untersucht. In dieser Studie wird zum ersten Mal ein signifikanter Rückgang des klonogenen Überlebens nach BRM-Depletion in Kombination mit Bestrahlung von Brg1-mutierten NSCLC Zellen, im Gegensatz zu Brg1-profizienten NSCLC Zellen und Fibroblasten, gezeigt. In einem weiteren Überlebensassay, dem Minimonolayer assay, konnte eine Verschiebung der Dosis-Wirkungskurven nach einmaliger als auch nach fraktionierter Bestrahlung mit 4 Gy/Tag in den niedrigeren Dosisbereich nach BRM knock-down in Brg1-mutierten NSCLC Zelllinien nachgewiesen werden. Minimonolayer, die mittels fraktionierter Bestrahlung zweimal am Tag mit 4 Gy bestrahlt wurden, sodass die Repopulierung verringert wird und der Einfluss der Reparatur deutlich wird, zeigen nach BRM-Depletion eine anhaltende Verschiebung der Dosis-Wirkungskurve in den niedrigeren Dosisbereich. Interessanterweise zeigen die hier untersuchten Brg1-defizienten Zelllinien, im Vergleich zu den Brg1-profizienten, eine erniedrigte Strahlensensitivität. Ob die Expression des BRG1-Proteins als Biomarker für die Strahlensensitivität von NSCLC genutzt werden kann sollte daher in weiteren klinischen Studien näher untersucht werden. Zusätzlich wurden die zugrundeliegenden Mechanismen der si-BRM induzierten Strahlensensitivierung Brg1-mutierter NSCLC Zelllinien evaluiert. Dazu wurde der Einfluss der BRM-Depletion auf die DNA-Doppelstrangbruch Reparatursignalwege NHEJ und HRR untersucht. Die Ergebnisse der γH2AX und 53BP1 Foci Analysen, die als Hinweis für NHEJ dienen, zeigen keinen signifikanten Unterschied in den Brg1-defizienten als auch in Brg1-profizienten NSCLC Zelllinien nach BRM knock-down. Die Untersuchung von HRR, die mittels Detektion von RAD51 Foci durchgeführt wurde, zeigte allerdings einen signifikanten Anstieg der residuellen RAD51 Foci in Brg1-defizienten NSCLC Zelllinien, sowohl über die gesamte Zellpopulation als auch in Cyclin B1-markierten Zellen. Da die HRR nur in der S- und G2-Phase des Zellzyklusses stattfindet, wurde die Zelllinie A549 mit mutiertem Brg1 in unterschiedlichen Wachstumsphasen (G1-Phase bzw. S-Phase angereichert) bestrahlt und das klonogene Überleben nach BRM knock-down verglichen. Die Ergebnisse zeigen im Vergleich zur konfluenten Zellkultur eine erhöhte si-BRM induzierte Strahlensensitivität der exponentiell wachsenden Zellkultur. Die zusätzliche Anreicherung der Zellen in der S-Phase mittels Aphidicolin zeigt eine weitere Steigerung der Strahlenempfindlichkeit nach si-BRM in der Brg1-mutierten Zelllinie A549. Um auszuschließen, dass die NHEJ nicht am strahlensensitivierenden Effekt nach BRM-Depletion beteiligt ist, wurde das Schlüsselenzym der NHEJ, die DNA-PK inhibiert. Die Erhöhung der Strahlensensitivität nach BRM knock-down bleibt weiterhin bestehen. Anschließend wurde untersucht, ob die HRR an dem strahlensensitivierenden Effekt nach si-BRM beteiligt ist. Dazu wurde das Schlüsselenzym der HRR, RAD51, mittels siRNA depletiert. Die Ergebnisse zeigen keinen zusätzlichen si-BRM-Effekt in Kombination mit si-RAD51. Somit lässt sich schlussfolgern, dass die si-BRM induzierte strahlensensitivierende Wirkung von RAD51 abhängig ist. Aus den vorliegenden Ergebnissen lässt sich schlussfolgern, dass die Inhibition der ATPase Untereinheit SMARCA2/BRM einen neuen zielgerichteten Ansatz für die Therapie von SMARCA4/Brg1-mutierter Lungentumore darstellt.

In this study we investigated the influence of the chromatin remodeling complex SWI/SNF on the radiation response of NSCLC cell lines. In this respect the expression of the ATPase subunit SMARCA2/BRM was depleted in SMARCA4/BRG1-mutated and wildtype cell lines by siRNA to evaluate the impact on the survival. This is the first study indicating increased radiation sensitivity specifically in BRG1-mutant but not BRG1-wild-type cell lines and fibroblasts after BRM depletion. The results of the mini monolayer assay, which is a tumor population survival assay, reveal that BRM depletion specifically increases the radioresponse of BRG1-deficient NSCLC cells after fractionated (4 Gy/day) as wells as single dose-irradiation in comparison to lipofectamine and non-target siRNA control. Mini monolayers of BRG1-mutant tumor cell lines irradiated two times per day with 4 Gy, thereby decreases the repopulation and increases the effect of DNA damage repair, show a persistent increase of radio response after BRM depletion. Interestingly, the results reveal that BRG1-mutated cell lines without expression of the full length BRG1 protein are significantly more resistant to ionizing radiation than cell lines without such mutation. Thus, if expression of BRG1 could be a potential biomarker for the radiation sensitivity of NSCLC should be further analyzed in clinical series. To further analyze the underlying mechanism of the sensitizing effect after BRM depletion in BRG1-mutated NSCLC cell lines, influence on DNA double strand break repair pathways NHEJ and HRR was evaluated. The results of γH2AX and 53BP1 foci analysis, indicating DNA repair by NHEJ, show neither in BRG1-deficient nor in BRG1-proficient NSCLC cell lines significantly differences in foci formation after BRM depletion. However, a decreased resolution of Rad51 foci 24 h after BRM knockdown was found in BRG1-mutated cells regarding the whole cell population as well as Cyclin B1 (G2 phase cells) labeled cells. Because HRR is only restricted to S and G2 phase cells, the surviving fraction of BRM depleted A549 enriched G1 phase cells was compared to cells enriched in S phase after irradiation. The results indicate an increase in siBRM induced radio sensitivity in S phase enriched cell culture. BRG1-mutated A549 cells enriched in S phase with Aphidicolin reveal an additional enhancement of radiation sensitivity. Inhibition of DNA-PK, the key enzyme of NHEJ, leads to a persistent radiation sensitizing effect after BRM depletion that excludes an involvement of NHEJ in the siBRM induced radio sensitizing effect. To evaluate whether HRR, the other DSB repair pathway, is involved in radio sensitization after BRM depletion, the key enzyme RAD51 was depleted by siRNA. The results show no additional radio sensitization of siBRM in combination with siRAD51. In conclusion, the present study shows that SMARCA2/BRM depletion increases radiation responsiveness of SMARCA4/BRG1-mutated human NSCLC cell lines and thus identifies BRM as an interesting therapeutic target in SMARCA4/BRG1 mutant cancers.

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Zernickel, Erika: Synthetisch letale Strategie für die individuelle Sensitivierung von Lungenkarzinom Zelllinien mit Vulnerabilität im SWI/SNF Komplex gegenüber der Strahlentherapie. 2018.

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