Effekt von Kombinationsstrahlung (UVB+UVA+VIS+IRA) auf die DNA Schadensinduktion und Reparatur

Abstract

UV-Strahlung ist einer der größten Risikofaktoren für die Entstehung von Hautkrebs. Neben der UV-Strahlung befinden sich im optischen Spektrum der solaren Strahlung weitere Strahlenqualitäten wie sichtbares Licht („visible light“, VIS) und Infrarot-Strahlung (IRA). Es ist deshalb wichtig, auch den Einfluss dieser Strahlungs-Qualitäten in Bezug auf ihr Potenzial zur Auslösung biologischer Effekte (z.B. Induktion von DNA-Schäden) und auf ihr Risikopotenzial für die Entstehung bestimmter Krankheiten, insbesondere Hautkrebs, zu untersuchen. Dies ist von besonderer Bedeutung, da z.B. im Strahlenschutz bisher mögliche gesundheitliche Risiken nur aus Ergebnissen abgeleitet wurden, die mit einzelnen UV-Strahlenqualitäten (UVA, UVB) zusammenhängen. In dieser Arbeit wurde daher eine neu entwickelte Bestrahlungsquelle eingesetzt (KAUVIR-Quelle), die sowohl UVA- und UVB-Strahlung als auch sichtbares Licht und Infrarot A jeweils einzeln oder aber auch in Kombination (UVA+UVB+VIS+IRA) emittiert, um eine solare Exposition so gut wie möglich zu simulieren. In der vorliegenden Arbeit wurden daher Bestrahlungsversuche in HaCaT-Zellen zur Induktion von DNA-Schäden (CPD) und deren Reparatur, sowie Untersuchungen der Methylierung und Expression von Genen, die an der enzymatischen Reparatur von CPDs beteiligt sind, nach Exposition mit unterschiedlichen Strahlenqualitäten, durchgeführt. Die Untersuchungen zeigten, dass bei der CPD-Induktion VIS+IRA keine Rolle spielen. UVA induzierte, im Vergleich zu UVB, eine kleine, aber nachweisbare Anzahl an CPDs, die sich bei simultaner Exposition (UVA+UVB) zu den UVB-induzierten CPDs addierten. Die Ergebnisse der Reparaturkinetik von CPDs nach unterschiedlichen Bestrahlungsqualitäten erbrachten das wichtige Ergebnis, dass der Infrarotanteil (IRA) der solaren Strahlung einen beschleunigenden Effekt auf die Reparaturgeschwindigkeit von induzierten CPD-Schäden in HaCaT-Zellen bewirkt. Da die Expression von Genen, die in der Nukleotid-Exzisons-Reparatur von CPDs involviert sind und deren Expression über epigenetische Mechanismen reguliert werden kann, für Repraturkinetiken wichtig ist, wurde in dieser Arbeit weiterhin die Expression der Reparaturgene XPA, XPB, XPC und XPD und GADD45A untersucht. Es zeigte sich, dass in den untersuchten Genen mit Ausnahme von XPD eine strahleninduzierte (teilweise nur geringe) Antwort in der Expression zu messen ist. Diese ist jedoch immer an den UVB-Anteil im Expositionsspektrum gebunden. Die durch die Reparaturkinetiken ermittelte schnellere Reparatur nach UVA+UVB+VIS+IRA im Vergleich zu UVB oder UVA+UVB lässt sich daher vermutlich nicht durch die differentiellen Expressionsdaten der in dieser Arbeit untersuchten Reparaturgene allein erklären. Untersuchungen der Promotor-Methylierung der in dieser Arbeit behandelten Gene zeigten keine signifikanten Methylierungsänderungen, wodurch ein möglicher Zusammenhang zwischen der Methylierung und der Expression der Gene (zumindest bei den hier untersuchten Methylierungsstellen in den Promotoren) nicht bestätigt werden konnte. Die Ergebnisse dieser Arbeit, besonders der Einfluss von IRA auf die Reparaturkinetik UV-induzierter DNA-Schäden, könnten von Bedeutung für den Strahlenschutz im Bereich von UV-Strahlung sein. Sie zeigen, dass ein wichtiger biologischer Endpunkt (das zelluläre Reparaturvermögen von UV-induzierten CPDs), der oft zur Risikoeinschätzung von UV-Strahlung herangezogen wird, stark von der Strahlenqualität abhängt und insbesondere IRA-Strahlung eine wichtige Rolle zuteilt. Bisherige Risikoabschätzungen, die sich nur auf die Wirkung einzelner Strahlenqualitäten (UVA oder UVB) bezogen, müssen daher neu überdacht werden, um den Einfluss solarer Kombinationsbestrahlung besser zu erfassen. Weitere Arbeiten müssen zukünftig die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen erklären.

UV radiation is the main risk factor in development of skin cancer. In addition to UV radiation, there are other types of radiation in the spectrum of solar radiation such as visible light (VIS) and infrared radiation (IRA). Therefore it is important to determine the impact of radiation qualities individual or in combination in relation to their potential to trigger biological effects like induction of DNA-damage and development of diseases especially skin cancer. This is of particular importance since e.g. for radiation protection so far, possible risk access has only been derived from results related to individual UV radiation qualities (UVA, UVB). Therefore, a new developed irradiation system was used (KAUVIR-Source). With this source it was possible to irradiate cells with UVA and UVB radiation as well as with visible light and infrared alone and in combination. In this work radiation experiments with HaCaT cells were done to determine induction of CPD-damage and its repair as well as changes in methylation and expression of genes involved in repair of CPDs after exposition to different radiation qualities. The investigations showed that VIS+IR have no impact in induction of CPDs. UVA in comparison to UVB induced a small but a detectable number of CPDs that added to UVB-induced CPDs upon simultaneous exposure (UVA+UVB). The results of repair kinetics of CPDs after different radiation qualities indicate that the infrared fraction (IRA) of solar radiation has an accelerating effect on the repair kinetics of the induced CPD damage in HaCaT cells. Since expression of genes involved in nucleotide excision repair of CPDs might have important impact on repair kinetics, the expression of the repair genes XPA, XPB, XPC and XPD and GADD45A was investigated. It has been shown that in the investigated genes, with the exception of XPD, a radiation induced response can be measured in the expression. However, this change is always associated to the UVB content in the exposure spectrum. The faster repair after UVA+UVB+VIS+IRA compared to UVB or UVA+UVB determined by the repair kinetics can therefore probably not be explained by the differential expression data of the repair genes investigated in this work alone. Investigations in promotor methylation of genes studied in this work didn't show any significant changes in methylation. Thus they could not confirm a possible correlation between the methylation state and the expression of the genes (at least for the methylation sites in the promoters investigated here). The results of this work, especially the IRA impact on repair kinetics of UV-induced DNA damage, could be of importance for the radiation protection of solar radiation. They show that an important biological endpoint (the cellular repair capacity of UV-induced CPDs), which is often used to assess the risk of UV radiation, is highly dependent on the quality of the radiation. In particular IRA seems to have an important role. Previous risk assessments, which only relate to the effect of individual spectral qualities (UVA or UVB), must therefore be reconsidered again to better understand the influence of combined solar radiation. Further work is needed to explain the underlying molecular mechanisms of the IRA effect.