Ugrás a tartalomhoz

Pigmentált elváltozások differenciáldiagnosztikája

Remenyik Éva (2011)

Debreceni Egyetem

5. fejezet - Az UVR molekuláris biológiai hatásai

5. fejezet - Az UVR molekuláris biológiai hatásai

Az erythema-keltéssel, pigmentatióval és hám-hyperplasiával kapcsolatban már az előzőekben is esett szó az UVR subcelluláris effektusairól. Az említetteken kívül meghatározó szerepük és következményeik miatt a következő fotokémiai/biológiai reakciók és molekuláris biológiai változások érdemelnek külön figyelmet: 1/ UVR-indukált DNS-károsodások és reparációjuk, 2/ immunmoduláció/szuppresszió és 3/ a D-vitamin szintézis serkentése. Természetesen celluláris történések alapvető szerepet játszanak ezekben a folyamatokban is.

UVR-indukált DNS-károsodások és reparációjuk

A hámsejtek (keratinocyták, KC-k és melanocyták, MC) DNS-e az egyik, ha nem a legfontosabb kromofórja az emberi bőrnek, ezért ma is a fotobiológiai kutatások kereszttüzében áll. Az elmúlt évek molekuláris biológiai vizsgálatai tisztázták, hogy UVR kiváltotta károsodása az irradiáció csaknem valamennyi biológiai hatásának iniciálásában központi szerepet tölt be: az erythema-keltésben, a SBC képződésben és a melanogenesisben, mint arról már esett szó, de ezek mellett az immunszuppresszióban, a fotoszenzitivitás provokálásában és a photocarcinogenesisben is.

A DNS abszorpciója elsősorban a közép- és a rövidhullámú UV-sávra terjed ki 260 nm körüli maximummal, de van némi elnyelése a hosszúhullámú UVA-ban is. Mint általában más kromofórok esetében is, ez a jellegzetes spektrum meghatározza a molekulában elindított fotobiológiai reakció hullámhossz dependenciáját: az UVR-indukált DNS-károsodások: a ciklobután pirimidin dimerek (CPD), más néven timin (TT) dimerek és a pirimidin-pirimidon (6-4) fotoproduktumok (6-4 PP) keletkezésének akciós spektruma csaknem tökéletesen egybeesik a DNS abszorpciós spektrumával, maximuma szintén 250-270 nm (Matsunaga 1991). Ez más szóval azt jelenti, hogy ugyan hullámhossztól függően különböző mértékben, de a teljes UV spektrum létre tudja hozni a DNS károsodásokat.

A CPD-k leginkább timin-timin (TT), ritkábban timin-citozin (TC), citozin-timin (CT), legritkábban citozin-citozin (CC) dimerek; arányuk az irradiáció hullámhosszától függ (Mitchell 1992). Azonos mennyiségű CPD létrehozásához az UVB-ből például mintegy százszor nagyobb energiamennyiségre van szükség, mint UVC-ből (Douki 2000). Az UVA szintén indukál CPD-ket is az emberi bőrben (Freeman 1987, Hönigsmann 1987, Cadet 2006), ehhez azonban még egy nagyságrenddel több energia szükséges. Sokkal inkább 6-4-terméket (TC>>CC>TT≈CT, Mitchell 1988) hoz létre, amely további UVA irradiációra, 320 nm-es maximummal, un.Dewar fotoproduktummá polimerizálódik. A különböző DNS-léziók lokalizációja a hámban szintén hullámhosszfüggő. Az UVC főleg a suprabasalis rétegek sejtjeiben indukál károsodást, az UVB a stratum basaléban is (Strickland 1988).

A DNS fotoproduktumok kimutatására már a 60-as évek végén történtek kísérletek.

1/ Levine experimentális munkái (1966) igazolták, hogy az UVR-DNS termék potens immunogén, amelynek valószínű antigén-determinánsa a TT-dimer, s ellene komplement fixációs reakcióval kimutatható antitestek termelhetők. Ezt követően Tan (1968) precipitációs és immunfluoreszcens technikát alkalmazva in vitro igazolta, hogy ezek a specifikus ellenanyagok csak az UV-károsított DNS-sel reagálnak. Segítségükkel sikerült az emberi bőr hámsejtjeiben az UV-károsított DNS-t in vivo kimutatnia (Tan 1969), majd Davisnek (1977) és Slornak (1975) magukat az antitesteket is egyes fotoszenzitív betegek savójában.

2/ A későbbiekben Sutherland (1980), D’Ambrosio (1981) és mások sűrűség gradiens centrifugálás után UV-specifikus endonukleázzal identifikálták a bőrben in vivo indukált fotoléziókat.

3/ Kimutatásuk újabban specifikus monoklonális antitestekkel in situ történik (Chadwick 1995, Young 1996). Ez utóbbi módszer kvantitatív „image" analízissel és a reparációs („unscheduled") DNS-szintézisnek (UDS) mint a nukleotid exciziós reparáció (NER) direkt, nem-specifikus indikátorának autoradiográfiás vizsgálatával összekötve alkalmas a fototermékek jelenlétének, sorsának és reparációjának időbeli követésére humán bőrben is.

A módszerek különbözősége miatt az irodalmi adatok meglehetősen eltérőek, amit az is magyaráz, hogy az egyes CPD típusoknak más és más a reparációja. A korábbi endonukleáz-érzékeny assay-vel - a bőrtípus megjelölése nélkül -, a CPD-k ~40%-a 20 perccel (Sutherland 1980), mások szerint (Reusch 1988) ~50%-a 1 órával az irradiáció után eltűnik a DNS molekulából, majd 24 óra múlva már csak 0-10%-uk mutatható ki. Ezzel szemben Young és munkatársainak (1996) I-II bőrtípusúak bőrén a modernebb módszerrel végzett vizsgálataiban a TT-dimerek eltávolítása jóval lassúbb, legalább egy napig tartó folyamatnak bizonyult. Nagyszámú lézió volt kimutatható 24 óra elteltével is, sőt néhány még 7 nap múlva is jelen volt a felső hámrétegekben. A 6-4 PP-k viszont meglehetősen gyorsan, 6 órával az UV-irradiáció után eltünnek a hámból, ami időben többnyire korrelál az UDS kinetikájával. A 6-4 termék mutagén hatását erősebbnek találták állatkísérletekben és humán bőrben végzett experimentális vizsgálatokban egyaránt, mint a CPD-ét (Mitchell 1988, Zdzienicka 1996). Feltehetően ezzel függhet össze preferált és gyors reparációja. Azonban valamennyi UV-indukált DNS-lézió kijavítása azért nagy jelentőségű, mert hibás vagy elégtelen reparáció következményeként a fotoproduktumok perzisztálnak a DNS-ben, ami kedvezőtlenül befolyásol olyan alapvető folyamatokat a sejtekben, mint az öregedés, sejtelhalás, mutagenesis és carcinogenesis (Nishigori 2006).

A DNS károsodás kijavítására

a baktériumokhoz és az emlősökhöz hasonlóan emberben is legalább három mechanizmus (Hanawalt 1975) áll a sejtek rendelkezésére:

1/ a nukleotid exciziós reparáció (NER, Evans 1968),

2/ a fotoreaktiváció (Sutherland 1974) és

3/ a posztreplikációs reparáció (Lehman 1975).

1/ Mai ismereteink a NER-ről egészséges emberi sejtekben (KC-k, fibroblastok, lymphocyták) a következőkben foglalhatók össze (Moriwaki 2001, Berneburg 2001). Miután Rasmussen és Painter 1964-ben közölte, hogy az UVR okozta DNS-károsodást, - a baktériumokhoz hasonlóan (Setlow 1963), - az emlőssejtek is képesek kijavítani, 1968-ban Evans és Norman egészséges emberi perifériás lymphocytákban is igazolta a NER meglétét. Ugyanezen évben Cleavernek (1968) az első emberi megbetegedésben, xeroderma pigmentosumban (XP), a klasszikus genophotodermatosisban sikerült kimutatni a NER hibás működését a betegek fibroblastjaiban észlelt csökkent UDS segítségével. A NER defektusát mint alapvető patogenetikai tényezőt kapcsolatba hozta a kórképre jellemző kóros fotoszenzitivitással és fokozott carcinogenesissel. Nagy horderejű felismerése óta világszerte kiterjedt kutatások folynak, amelyek megvilágították a NER és defektusának molekuláris biológiai részleteit, genetikai heterogenitását, immunológiai vonatkozásait (Smith 1969, Friedberg 1979, Fischer 1982, Balajee 2000, Queille 2001) és sok tekintetben tisztázták bonyolult összefüggéseit a fotoszenzitivitással és a carcinogenesissel,valamint a XP és az egyéb, NER-defektussal járó kórképek klinikumával (Kraemer 1994, Otto 1999).

A többlépcsős enzimatikus processzus lépései, amelyek már a 60-as években tisztázódtak, a fotoproduktumok felismeréséből, a DNS molekula inciziójából, a károsodott DNS szakasz eltávolításából (excizió), majd a hiányt pótló UDS-ből, végül a kijavított DNS-szál összekapcsolásából (ligáció) állnak. A fotoproduktumok eltávolítása a DNS-ből nem random-szerűen zajlik le a genom mentén. A DNS olyan régióiban lévő léziók, amelyeket az RNS polimeráz II ír át, gyorsabban és tökéletesebben reparálódnak, mint azok, amelyek a globális genomban vagy az aktív gének át nem írt láncában helyezkednek el. Az előző az un. transcription-coupled repair (TCR), az utóbbi a global genome repair (GGR). A CPD reparációja lassú, inkomplett, főleg a transzkripcióhoz kapcsolt (TCR) mechanizmuson keresztül valósul meg, a (6-4)-PD reparációja gyors, hatékony, nagyrészt a GGR révén megy végbe (Mullenders 1993).

A NER-ben involválódó génekre (is) a XP genetikai vizsgálatai derítettek fényt. Hét gént (XPA-XPG) a kórkép A-G komplementációs csoportjaiban, egy nyolcadikat a variáns típusban (V) identifikáltak. Ez utóbbi génről időközben kiderült, hogy nem a NER-ben, hanem a posztreplikációs vagy „daughter-strand" DNS reparációban érintett. A NER legalább 30 géntermék (fehérje) közreműködésével történik, amelyek legtöbbjének a komplex enzimatikus folyamatban betöltött meglehetősen bonyolult funkciói is nagyrészt tisztázódtak (Berneburg 2001). Az UV-indukált léziók felismerését az XPC-hHR23 komplex kezdi el és az XPA-RPA („replication protein A") komplex teszi teljessé, mely a következő lépésben kombinálódik a TFIIH transzkripciós faktorral. Ennek több alegysége között van a DNS helikáz aktivitással rendelkező XPB és XPD fehérje is, amelyek a duplaláncú DNS-t szétcsavarják két endonukleáz számára: az XPG fehérje a károsodás 3’ helyén végzi az incisiót, az XPF-ERCC1 az 5’ helyen fejti ki hatását. Az inciziót követően egy olyan, 25-27 nukleotidből álló DNS fragmentum szabadul fel a DNS molekulából, amely a károsodott bázisokat is magában foglalja. Kivágása (excizió) után a hiány pótlása (reparációs szintézis, (UDS) több tényező: DNS polimeráz, PCNA (proliferating cell nuclear antigen) és RFC (replication factor C) közreműködésével történik meg, majd a DNS ligáz I segítségével létrejön az összekapcsolódás (ligáció). Az XPE szerepe a NER-ben ma még nem egyértelműen tisztázott, feltehetően a CPD felismerésében vesz részt.

A többlépcsős enzimatikus processzus előfeltétele a sejtciklus késleltetése a G1 fázisban. Ennek szabályozásában az elmúlt években bonyolult kapcsolati rendszereket térképeztek fel, melyekben bizonyos gének (ciklinek, ciklin-dependens kinázok és ezek regulátorai) adott sejtciklus-időpontban történő specifikus expressziója játszik szerepet. A folyamatban, éppen úgy, mint a SBC képződésben is, kulcspozíciót tölt be a p53 tumorszuppresszor gén DNS-károsodás kiváltotta aktiválódása (Hall 1993). A megnövekedett p53 fehérje expresszió következményeként megnő a p21 fehérje expresszió is, amely a G1-ciklin-dependens kinázok gátlásával a G1 fázisban előidézi az átmeneti sejtciklus késleltetést, ily módon időt biztosítva még a replikáció előtt a DNS-reparáció befejezésére. Ha a DNS-károsodás mértéke túl nagy, a p53 más fehérjékkel együttműködve a sejtet az apoptosis irányába indítja el.

A sejtciklust reguláló fehérjék funkcióvesztő károsodása elősegíti a tumorprogressziót (Hunter 1994). A NER elégtelenül működik, típusos pontmutációk: GC→AT tranzició, CC→TT mutációk jönnek létre. Emellett a tovább folyó replikáció közben DNS-hurkok, majd egyszálú DNS-hézagok (gap-ek) keletkeznek a dimerek helyén, melyek endonukleázokkal szemben nagyon érzékenyek. Így kettősszálú DNS-törések (double strand breaks, dsb-ek) képződnek, amelyek révén az UV-sugárzásra jellemző kromatid típusú kromoszóma aberrációk keletkeznek.

A NER nyomon követésére számos módszer ismeretes, amelyek a reparációs folyamat különböző lépéseiről adnak képet. A DNS-fotoproduktumok kimutatására és eltávolításuk időbeli kinetikájára irányuló eljárásokról már esett szó (l. előbb). Ezekkel egyidőben a 60-as, 70-es években a legáltalánosabb metódus a reparációs folyamat UDS fázisának tanulmányozása volt. Ez azon alapult, hogy a károsodott DNS-szakasz kimetszése után a hiánypótlás folyamata radioaktívan jelzett DNS-specifikus nukleotid segítségével mérhetővé válik. A célra leginkább használt triciált (3H )-timidin beépül az in vivo irradiált bőr KC-inek, dermális fibroblastjainak vagy experimentális körülmények között a besugárzott hám/fibroblast kulturák sejtjeinek újonnan szintetizálódó DNS-ébe. Az inkorporált prekurzor radioaktivitása autoradiográfiával tehető láthatóvá: a szintézis intenzitása (szemcse/számsejt) és a benne résztvevő sejtek számaránya egyaránt vizsgálható. Az UDS-t (21.ábra: *168* kép) a gyér jelződés (3-15 szemcse/nucleus) reprezentálja (reparációs inkorporáció: RI) és egyben megbízhatóan elkülöníti a szemikonzervatív DNS-szintézistől, amelyet az S-fázisban lévő, sűrűn jelzett magvú sejtek (20 < szemcse/nucleus, l. a 17. ábrán) képviselnek. Az egészséges bőr in vivo UVB irradiációját követően az UDS-t jelző triciált timidin beépülés a hám teljes szélességében, illetve az irha felső rétegének fibroblastjaiban a sejtek 70 - 80%-ában mutatható ki, az intenzitást jelző átlagos szemcseszám 7 - 9 (Epstein 1969, Hönigsmann 1981). A reparációs replikáció az irradiációt követően már 15 perc múlva megindul, néhány órán belül eléri maximumát és 24 óra alatt lezajlik (Brash 1978).

A 70-es években végzett autoradiográfiás vizsgálatainkban (Horkay 1978, 1979/a, 1979/b, 1991) az UDS-t mind a bőrben, mind a perifériás lymphocytákban elsősorban a polymorph fény-exanthema (PFE) patomechanizmusának tisztázása céljából tanulmányoztuk. Az XP-ben felismert összefüggés a fotoszenzitivitás és a NER defektusa között felvetette ugyanis azt az elméleti lehetőséget, hogy más kórképekben is hasonló okokra vezethető vissza a kóros fényérzékenység. Az akkori irodalmi ajánlásoknak megfelelően az UDS-t 3 x MED UVB irradiáció után autoradiográfiával követtük nyomon egészséges személyek és PFE-ben, valamint összehasonlításként egyéb fényérzékeny dermatosisokban szenvedő betegek bőrbiopsziás anyagának KC-iben. Az in vivo expozíció után 2 órával az egészséges kontrollokhoz hasonlóan PFE-ben, porphyria cutanea tardában (PCT) és discoid lupus erythematosusban (DLE) egyaránt a stratum basale, spinosum és granulosum sejtjeinek 70-80%-ában észleltünk gyér, RI-ra utaló jelölődést, míg XP-ben, a várakozásnak megfelelően, feltűnően kevés reparáló sejtet találtunk. PFE-ben a szintézis intenzitása is megegyezett a kontrolléval (átlagosan 8, illetve 7 szemcse/nucleus), míg PCT-ben és DLE-ben valamivel csökkentebb, XP-ben szignifikánsan alacsonyabb volt (5, 6, illetve 3 szemcse/nucleus). A 48 óra múlva kivett bőrmintákban egyik vizsgált csoportban sem mutatkozott UDS-re utaló timidin beépülés, jelezve a folyamat lezajlását.

A DNS-be beépülő radioaktív prekurzor (H3 timidin) mennyisége besugárzott lymphocytákban vagy KC/fibroblast tenyészetekben folyadék-szcintillációs eljárással is mérhető. Mivel ilyenkor szemikonzervatív DNS szintézis is folyik a ciklus S-fázisában lévő sejtekben, ennek gátlására, az UDS-től való elkülönítés érdekében hidroxiurea használatos (Lewensohn 1985). Fényérzékeny bőrbetegek perifériás lymphocytáival végzett vizsgálatainkban Tuschl és Altmann (1976) módszerét alkalmaztuk. Az RI a sugárdózis emelésével fokozatosan emelkedett, UVC irradiáció után kifejezettebb volt, mint UVB-t követően. A vizsgált kórképekben (PFE, PCT, DLE és XP) a lymphocyták átlagos RI-jét, azaz a NER-ből adódó DNS szintézist PFE-ben szignifikánsan alacsonyabbnak találtuk a kontrollnál (Horkay 1973), ellentétben a bőrbiopsziás anyag KC-iben észleltekkel.

A 80-as években a NER mérése/nyomon követése az UV-indukálta egyszálú lánctörések (single strand breaks), az ssb-k számának meghatározásával történt alkalikus elúciós assay-vel (Jung 1995), majd az un. comet assay-vel, más néven single cell gel electrophoresissel (SCGE). Ez utóbbi metódus az egyes sejtekben teszi lehetővé a DNS károsodások: az ssb-k, az alkáli labilis helyek és a DNS-fehérje keresztkötések tanulmányozását (Collins 1997, Tice 2000). Kísérletes adatok amellett szólnak, hogy azok az UVB irradiációt követő ssb-k, amelyek izolált sejtekben lúgos pH-n ezzel a módszerrel kimutathatók, a NER következményei (Lehmann 1998). NER deficiens XP fibroblastokban például ilyen típusú törések nem demonstrálhatók (Alapetite 1996). HaCaT sejteken végzett saját vizsgálataink is ezt a teóriát látszanak megerősíteni (Remenyik 1998, Emri 1999). 60 mJ/cm2 UVB irradiációt követően üstökösképződés csak fél óra múlva volt észlelhető, ami arra utalt, hogy a comet assay nem a direkt DNS-károsodást, hanem az indukált NER következtében időlegesen megjelenő ssb-ket, intermedier termékeket mutatja. Amint a DNS szálak reszintetizálódtak, az üstökös ismét eltünt.

Itt jegyzendő meg, hogy a comet assay nemcsak az UV-indukálta ssb-k demonstrálására alkalmas, hanem a pH-tól függően lehetővé teszi a különböző UV-spektrumsávok okozta különböző típusú lánctörések tanulmányozását is. Említett vizsgálatainkban (Remenyik 1998, Emri 1999) például a HaCat sejtekben 5 J/cm2 UVA besugárzást követően azonnal megjelent az üstökösképződés, majd rövidesen eltünt, jelezve az oxidatív útvonalakon keletkező egyszálú DNS-károsodás gyors reparációját. Ezzel szemben 300 ng/ml 8-MOP-pal előkezelt és 2 J/cm2 UVA-irradiált sejtekben lúgos közegben nem volt észlelhető csóva. Neutrális pH-n is csak másfél óra elteltével mutatkozott, ami arra utalt, hogy a PUVA okozta DNS-károsodást követő reparáció során kettősszálú DNS törések (dsb-ek) keletkeznek. Eredményeink amellett szólnak, hogy a különböző fototerápiás eljárások kiváltotta DNS károsodás típusa és reparációja jelentősen különbözik egymástól, ami részben magyarázhatja terápiás spektrumuk és hatékonyságuk különbözőségét is.