Onthullen van nieuwe manieren waarop de verwijdering van ubiquitine(-achtige) modificaties DNA reparatie reguleert.

Kanker ontwikkelt zich als een gevolg van veranderingen in de integriteit van ons erfelijk materiaal, het genoom. Instandhouding van de integriteit van het genoom, en daarmee het voorkomen van mogelijke maligne celgroei en behoud van celviabiliteit, vereist adequate detectie en een tijdige en correcte reparatie van DNA schade. Tegelijkertijd dienen DNA schade detectie en reparatie mechanismen geremd te worden op de natuurlijke uiteinden van onze chromosomen. Dit laatste wordt verzorgd door de aanwezigheid van gespecialiseerde DNA-eiwit structuren op chromosoomuiteinden, genaamd telomeren. Dankzij telomeren kan een cel onderscheid maken tussen normale chromosoomuiteinden die geen DNA schade vertegenwoordigen en echte DNA breuken die wel gedetecteerd en gerepareerd moeten worden. Zowel verlies van deze telomeerbescherming en het vervolgens incorrect aangrijpen van onbeschermde chromosoomuiteinden door DNA reparatiemechanismen, als foutieve reparatie van DNA breuken, kan leiden tot schadelijke veranderingen in ons genoom en genoominstabiliteit. Genoominstabiliteit kan gepaard gaan met een verhoogde mate van celdood en daarmee bijdragen aan veroudering. Echter, door het genereren van genetische veranderingen kan deze genoominstabiliteit ook een drijvende kracht zijn in het ontstaan, en in de verdere ontwikkeling, van kanker. Bovendien zijn de wijze en effectiviteit waarmee cellen DNA schade repareren van invloed op de werking en uitkomst van behandelingen van kanker die werken via het aanbrengen van DNA schade, alsmede op de werking van het immuunsysteem. Daarnaast draagt voortschrijdende instabiliteit van ons genoom bij aan heterogeniteit binnen tumoren, die van invloed kan zijn op de effectiviteit van kankerbehandelingen.

Nauwe regulatie van DNA reparatie in de cel is dus van groot belang om de integriteit van het genoom te waarborgen, om kanker te voorkomen of remmen, en voor de behandeling van kanker. Op dit moment begrijpen we onvoldoende van de processen die aan deze regulatie ten grondslag liggen. Als gevolg daarvan missen we belangrijke kennis ten aanzien van de oorzaken en progressie van kanker en de gevolgen van DNA beschadigende anti-kankertherapieën. Daardoor missen we belangrijke potentiële mogelijkheden om het aantal gevallen van kanker en de sterfte aan kanker te verminderen.

Het doel van dit fundamentele onderzoeksproject is daarom om beter inzicht te krijgen in de processen die een kritieke rol spelen in de regulatie van DNA reparatie. We concentreren ons daarbij op nieuwe manieren van regulatie door enzymen die zorgen voor de verwijdering van eiwitmodificaties door ubiquitine en ubiquitine-achtige moleculen (UBLs). Dit omdat het bekend is dat deze modificaties op verschillende niveaus belangrijke functies vervullen in DNA reparatie, maar de exacte omvang en complexiteit van deze ubiquitine(-achtige) gemedieerde regulatie nog niet duidelijk is. In het bijzonder weten we nog erg weinig over de-ubiquitinerende enzymen (DUBs) en ubiquitine-achtige (UBL) proteases die deze modificaties verwijderen en belangrijk zijn tijdens DNA schadesignalering en DNA reparatie op telomeren. Daarnaast hebben we maar beperkt inzicht in de-ubiquitinerende enzymen en ubiquitine-achtige proteases die de werking van DNA reparatiemechanismen beïnvloeden en daarmee de gevoeligheid van kankercellen voor DNA schade veroorzakende antikanker-therapieën bepalen. Dit komt duidelijk naar voren uit onze recente ontdekking van vier de-ubiquitinerende enzymen en ubiquitine-achtige proteases als nieuwe factoren die, op nog onbekende wijze, bijdragen aan telomeer-gerelateerde genoominstabiliteit of de effectiviteit bepalen van PARP-remmers die ingezet worden in de bestrijding van kanker. Bovendien, de-ubiquitinerende enzymen en ubiquitine-achtige proteases worden in toenemende mate geassocieerd met kanker, wat heeft geleid tot een sterke groei in de ontwikkeling van remmers van deze enzymen. Inzicht in de biologische activiteiten van deze enzymen is daarom niet alleen belangrijk om hun rol in kanker te begrijpen, maar ook belangrijk om het therapeutisch potentieel van deze inhibitors te begrijpen en benutten. In dit project stellen we ons daarom tot doel om de activiteiten van nieuwe de-ubiquitinerende enzymen en ubiquitine-achtige proteases met een belangrijke rol in DNA reparatie te ontrafelen.

Onlangs hebben wij een aantal verschillende de-ubiquitinerende enzymen en ubiquitine-achtige proteases geïdentificeerd die de overleving van cellen bepalen na blootstelling aan telomeer de-protectie of aan DNA breuken geïnduceerd door remming van het PARP enzym, dat in de behandeling van kanker toegepast wordt. Met betrekking tot PARP-remming, vonden we zowel een factor waarvan depletie kankercellen extra gevoelig maakt voor celdood door PARP-remming, als factoren waarvan depletie BRCA1-deficiente kankercellen hun extreme en specifieke gevoeligheid, genaamd synthetische lethaliteit, doet verliezen, met resistentie tot gevolg. Bij zowel telomeer deprotectie als bij PARP-remming hangt de overleving van cellen af van de mate waarin ze in staat zijn tot bepaalde vormen van DNA reparatie. Hoe deze factoren, genaamd DUB-TIGIRs (voor DUBs acting as telomere-induced genomic instability regulator) en DUB-SPi’s (voor DUBs controlling sensitivity to PARP inhibition) de overleving van cellen met DNA breuken of onbeschermde telomeren kunnen bepalen is nog niet duidelijk. Daarom vertegenwoordigen deze factoren nieuwe manieren van regulatie van DNA reparatie door verwijdering van ubiquitine(-achtige) modificaties. In dit project zullen we grondig mechanistisch onderzoek uitvoeren om de activiteiten van de nieuw geïdentificeerde ubiquitine(-achtige) proteases in DNA reparatie op telomeren en DNA breuken te ontrafelen. Daarnaast, zullen we een functionele genetische screen uitvoeren met als doel om eventuele andere nieuwe de-ubiquitinerende enzymen en ubiquitine-achtige proteases te identificeren die bijdragen tot genomische crisis na verlies van telomeerprotectie. Dit omdat we nog erg weinig weten over de de-ubiquitinerende enzymen en ubiquitine-achtige proteases in de cellulaire respons op onbeschermde telomeren.

Door nieuwe kennis te vergaren over hoe de verwijdering van ubiquitine of ubiquitine-achtige modificaties, en door welke factoren, een rol speelt in de regulatie van DNA reparatie verwachten we dat ons werk leidt tot een vergroot begrip van de mechanismen waarmee cellen reageren op DNA schade en telomeer de-protectie. Daarnaast zal het helpen om nieuwe mogelijkheden bloot te leggen voor het uitbuiten van synthetische letaliteit in kankerbehandeling en nieuwe mechanismen van resistentie tegen PARP-remmers. Tezamen zal dit bijdragen aan de ontwikkeling van nieuwe diagnostische en therapeutische strategieën voor de preventie, remming en betere behandeling van kanker.