Ontdekking van het celdoodprogramma: Hoe genetische schade door de natuurlijke stof methyleugenol in levercellen leidt tot celdood

Het team rond Max Carlsson (rechts), hoofdauteur van de studie, en Philipp Demuth (co-auteur van de studie) heeft het mechanisme ontrafeld. (TUK/view)

De natuurlijke stof Methyleugenol komt voor in verschillende kruidenplanten en komt via voedsel in ons lichaam. In de lever wordt het door de xenobiotische stofwisseling geactiveerd en kan het daar bekendheid geven door DNA-schade te veroorzaken. Een onderzoeksteam van de Technische Universiteit Kaiserslautern (TUK) onder leiding van professor Jörg Fahrer is er nu in geslaagd om het celsterfmechanisme dat door de DNA-schade wordt veroorzaakt, te ontrafelen. Een centrale rol hierin speelt het eiwit p53, dat het celdoodprogramma aanzienlijk activeert en zo het overleven van sterk beschadigde levercellen voorkomt. De onderzoeksresultaten zijn onlangs gepubliceerd in het gerenommeerde vakblad Cell Death & Disease.

Leverkanker behoort tot de meest voorkomende tumorerkrankingen en wordt causaal gekoppeld aan virale infecties van de lever, vetleverziekten, chronisch alcoholgebruik en schimmelgifstoffen in voedsel. Daarnaast worden plantaardige giftige stoffen verdacht bij te dragen aan de ontwikkeling van leverkanker. Tot deze stoffen behoort methyleugenol, dat van nature voorkomt in veel kruiden en specerijen, zoals basilicum, dragon en venkel, en via voedsel in ons lichaam terechtkomt. "Voorheen was bekend dat methyleugenol door bepaalde enzymen in de lever wordt gemetaboliseerd en daardoor DNA-schade, zogenaamde DNA-adducten, kan veroorzaken", zegt professor Jörg Fahrer van de vakgroep Voedselchemie en Toxicologie aan de TUK.

Om nu te achterhalen hoe cellen reageren op deze door methyleugenol veroorzaakte DNA-schade, heeft een team onder leiding van professor Fahrer verschillende biochemische, cellbiologische en bioanalytische methoden ingezet. Vanuit de vakgroep waren ook de werkgroepen van professorin Elke Richling en voormalig juniorprofessor Alexander Cartus betrokken. Daarnaast hebben wetenschappers van het Universitair Medisch Centrum Mainz en de Justus-Liebig-Universiteit Gießen aan de studie meegewerkt, die werd gefinancierd binnen een derde-middelenproject van de Deutsche Forschungsgemeinschaft.

Het onderzoeksteam heeft eerst met behulp van een zogenaamde massaspectrometrische methode de vorming van DNA-adducten in levercellen en andere celmodellen aangetoond en gekwantificeerd. Verder heeft het voor het eerst aangetoond dat de schade de verdubbeling van het DNA blokkeert. Dit proces wordt DNA-replicatie genoemd en is essentieel voor de correcte overdracht van genetisch materiaal tijdens celdeling. Door de inzet van hoogresolutie confocale microscopie en eiwitbiochemische analyses heeft het team de activering van de DNA-schadereactie gekarakteriseerd. "Dit cellulaire beschermingsprogramma leidde onder andere tot de activering van het tumoursuppressoreiwit p53 in de levercellen", voegt Max Carlsson, promovendi in de werkgroep Fahrer en eerste auteur van de studie, toe. Samen met Dr. Anastasia Vollmer, die eveneens in de werkgroep promoveerde op dit onderwerp, heeft hij de belangrijkste experimenten van de studie uitgevoerd.

Vervolgens richtte het onderzoeksteam zich op de toxiciteit van de DNA-schade. De verdere onderzoeken toonden aan dat een hoog niveau van DNA-adducten een geprogrammeerde vorm van celdood, de zogenaamde apoptose, uitlokt en dat hierbij de mitochondriën een centrale rol spelen. "Mitochondriën zijn de krachtcentrales van onze cellen, die ook betrokken zijn bij celdoodprocessen", legt professor Fahrer uit. Door de combinatie van moleculairbiologische methoden en zogenaamde confocale microscopie hebben de onderzoekers aangetoond dat door DNA-schade bepaalde celdoodgenen sterk worden gereguleerd en dat dit leidt tot de activatie van Bax. "Dit is een pro-apoptotisch eiwit dat na activatie naar de buitenkant van de mitochondriën wandert en daar poriën vormt", legt Max Carlsson uit.

Om uiteindelijk de rol van p53 in het uitgelokte celdoodprogramma te verduidelijken, werd dit met farmacologische remmers en genetische benaderingen in verschillende celmodellen uitgeschakeld. Zo hebben de wetenschappers aangetoond dat het verlies van p53 de activatie van Bax onderdrukt en de inductie van celdood in de levercellen remt.

“Samengevat tonen onze bevindingen aan dat in cellen met sterke DNA-schade door methyleugenol de mitochondriale, p53-gemedieerde celdoodweg wordt geactiveerd”, aldus professor Fahrer. Dit zou als tumorenremmend mechanisme kunnen bijdragen aan de eliminatie van sterk beschadigde cellen en zo permanente genetische veranderingen voorkomen.

Publicatie
Carlsson MJ, Vollmer AS, Demuth P, Heylmann D, Reich D, Quarz C, Rasenberger B, Nikolova T, Hofmann TG, Christmann M, Fuhlbrueck JA, Stegmüller S, Richling E, Cartus AT en Fahrer J. p53 activeert mitochondriale apoptose na DNA-schade-gerelateerde replicatiestress door de hepatotoxine methyleugenol. Cell Death Dis. 2022, 13(11): 1009.
Doi: 10.1038/s41419-022-05446-9
https://www.nature.com/articles/s41419-022-05446-9

Contact
Prof. Dr. Jörg Fahrer
Voedselchemie en Toxicologie
Faculteit Scheikunde
TU Kaiserslautern
Telefoon: 0631/2052974
E-mail: fahrer@chemie.uni-kl.de