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Genomische DNA ist häufig mehreren Angriffen aus verschiedenen endogenen und exogenen Quellen ausgesetzt1. Die Häufigkeit endogener Schäden korreliert direkt mit den Konzentrationen von Stoffwechselnebenprodukten wie reaktiven Sauerstoffspezies oder Aldehyden, die bei mehreren Krebsarten, einschließlich Eierstockkrebs, intrinsisch höher sind 2,3. Es ist zwingend erforderlich, dass DNA-Schäden effizient behoben werden. Andernfalls kann es genotoxische Läsionen und folglich Mutagenese fördern. Die Fähigkeit von Zellen, genotoxische Läsionen zu reparieren, hängt von der Funktionalität fehlerfreier DNA-Reparaturwege und der effizienten Regulation des Zellzyklusverlaufs als Reaktion auf DNA-Schäden ab. Bemerkenswert ist, dass viele Eierstockkarzinome funktionell inaktivierende Mutationen in p53 tragen und somit einen defekten G1/S-Checkpoint aufweisen, der dazu führt, dass die Zellen trotz des Vorhandenseins nicht reparierter genomischer Läsionen eine DNA-Replikation initiieren 4,5. Das Ausmaß der DNA-Schädigung bei Ovarialkarzinomen wird durch die Beobachtung noch verstärkt, dass mehr als 50% der hochgradigen serösen Ovarialkarzinome (HGSOC) Defekte in der BRCA1- und BRCA2-vermittelten homologen Rekombination, dem fehlerfreien DNA-Reparaturweg, und etwa 20% eine Amplifikation im Gen CCNE1 aufweisen, das G1-Zellen vorzeitig in die S-Phase6 drängt . Zusammen erhöht die hohe Häufigkeit von endogenen DNA-Schäden, defekten Checkpoints und fehlerhaften Reparaturwegen die Akkumulation genomischer Läsionen bei Eierstockkrebs exponentiell. Diese Läsionen können als Hindernisse für das Fortschreiten kritischer zellulärer Prozesse wie DNA-Replikation und -Transkription dienen. Wie weiter unten erörtert, katalysieren solche Hindernisse die Erzeugung von einzelsträngiger DNA (ssDNA) in Zellen.
Die Doppelhelix der DNA ist entscheidend für den Schutz des Genoms vor mehreren mutagenen Prozessen, wie z. B. spontaner Depurinierung und Depyrimidinierung, der Aktivität von Cytosin-Desaminasen und oxidativen DNA-Schäden 1,7. Im Gegensatz dazu ist ssDNA sehr anfällig für diese Mutationsereignisse. Mehrere Prozesse in Zellen können zur Erzeugung von ssDNA führen (Abbildung 1). Dazu gehören die folgenden:
(i) Stillstand der DNA-Replikationsmaschinerie: Dies führt zu einer Entkopplung der DNA-Helikase und der Polymerase, wobei Abschnitte der ssDNA 8,9 zurückbleiben.
(ii) Stillstand der Transkriptionsmaschinerie: Anhaltendes Abwürgen der RNA-Polymerase führt zur Erzeugung von dreisträngigen hybriden DNA/RNA-Strukturen, die als R-Schleifen bezeichnet werden. Bei der Bildung von R-Schleifen wird die verschobene, nicht transkribierte DNA als Einzelstrang10 freigelegt.
(iii) DNA-Endresektion: Die Initiierung einer homologiegesteuerten Reparatur erfordert die Erzeugung einer 3'-ssDNA, um die Suche nach einer homologen Sequenz11 zu katalysieren.
(iv) D-Schleife: Die Stranginvasion während der homologen Rekombination kann zur Verschiebung des komplementären Nicht-Template-Strangs führen, was zu ssDNA12 führt.
(v) Replikationsgekoppelte Lücken: Während der DNA-Replikation erfolgt die verzögerte Strangsynthese diskontinuierlich, wobei Okazaki-Fragmente zuerst erzeugt und dann ligiert werden. Eine Verzögerung oder ein Defekt bei der Verarbeitung der Okazaki-Fragmente kann ebenfalls zur Bildung von ssDNA führen. Wenn schließlich die Replikationsgabel an einem führenden Strang auf eine stockende Läsion, DNA-Polymerase und Primase stößt, kann PRIMPOL die Synthese stromabwärts reprimieren und eine ssDNA-Lücke hinter13,14 hinterlassen.
Offensichtlich treten die meisten dieser Ereignisse entweder auf, wenn die DNA-Replikationsmaschinerie genomischen Läsionen ausgesetzt ist, oder während der replikationsgekoppelten Reparatur, was darauf hindeutet, dass höhere DNA-Schäden zu erhöhten ssDNA-Spiegeln führen. Da viele dieser Ereignisse replikationsassoziiert sind, wird die Bildung von ssDNA als Marker für "Replikationsstress" in Zellen angesehen15,16.
Hier beschreiben wir einen Assay, mit dem ssDNA in Zellen zuverlässig quantifiziert werden kann. Die Einfachheit, Reproduzierbarkeit und Kostenvorteile dieses Ansatzes machen es möglich, ihn für die Beurteilung der Replikationsstressantwort in Zellen zu verwenden. Neue Studien haben gezeigt, dass der Gehalt an ssDNA auch ein Prädiktor für das Ansprechen auf eine Chemotherapie sein kann, wie z. B. Inhibitoren von PARP1/2-Enzymen, ATR und Wee1-Kinase 17,18,19,20,21. Diese Inhibitoren werden im Behandlungsschema mehrerer HGSOCs22 verfolgt. Daher kann dieser Assay auch ein nützliches Werkzeug sein, um chemotherapeutische Reaktionen in Eierstockkrebszellen vorherzusagen.