A la suite des catastrophes nucléaires d’importantes quantités de radionucléides ont été rejetés dans l’environnement. Le Strontium 90 (90Sr) fait partie de ces rejets. Du fait de sa demi-vie de 29 ans, c’est un polluant persistant qui conduit à la contamination des populations vivant autour des territoires contaminés via l’ingestion chronique de faibles quantités de ce radionucléide. Les études épidémiologiques ont mis en évidence des effets au niveau du système immunitaire, du système hématopoïétique et de la physiologie osseuse chez l’homme. Le 90Sr qui s’incorpore principalement dans l’os pourrait contribuer à l’apparition de ces effets. Le but de ce travail a été de comprendre quels sont les mécanismes d’action du 90Sr qui permettent d’expliquer de tels effets. Un premier modèle in vitro utilisant une lignée de cellules stromales murines (MS5) contaminées par le milieu de culture à 1 ou 10 kBq.ml-1 a été utilisé. Il a permis de montrer que le 90Sr était capable d’induire des cassures double-brin de l’ADN dès 30 minutes d’exposition avec une induction de la senescence et une altération de la fonction de support aux progéniteurs hématopoïétiques. Dans le deuxième modèle in vivo d’effet dose, des souris Balb/c ont été contaminées durant 24 semaines à des concentrations de 90Sr de 4, 20 et 100 kBq.l-1 dans l’eau de boisson. Cette expérience a permis d’observer une augmentation des marqueurs de la résorption osseuse en fonction de la contamination au 90Sr ainsi et une augmentation de l’expression génique des enzymes impliquées dans la défense antioxydante. Une augmentation de p21, marqueur de la senescence et une diminution d’IL-6 ont également été observées. Les implications de ces résultats sur la physiologie osseuse, le système immunitaire et hématopoïétiques sont discutées. Globalement, l’ensemble de ce travail complète les données déjà existantes sur le 90Sr et permet de mieux comprendre les mécanismes d’action du 90Sr sur les cellules stromales médullaires qui sont au centre de la régulation immuno-hématopoïétique. / Abstract : After nuclear disasters, large amounts of radionuclides were released into the environment. Strontium 90 (90Sr) is part of these wastes. Because of its half-life of 29 years, it is a persistent pollutant which leads to the contamination of surrounding populations through the chronic ingestion of low quantities of this radioelement. Epidemiologic studies have demonstrated some effects on immune system, hematopoietic system and bone physiology in humans. 90Sr accumulates mostly in bones and could contribute to the appearance of such effects. The aim of this work is to understand the action mechanisms which could explain the previous observations. In the first in vitro model, a murine stromal cell line (MS5) contaminated through the culture medium with 1 or 10 kBq.ml-1 of 90Sr was used. Thank to this model, an increased number of DNA double-strand breaks in cells after 30 minutes of exposure, a senescence induction and a modification in the support of hematopoietic progenitors were observed. In the second model, Balb/c mice were contaminated during 24 weeks through drinking water containing 90Sr at 4, 20 and 100 kBq.l-1. Both an increase in genic expression of bone resorption markers and in antioxydative enzymes were observed. An increase in p21 expression, marker of senescence, and a decrease in IL-6 were also seen. The implications of these results on bone physiology, immune and hematopoietic systems are discussed. As a whole, all this work completed the preexistent data about 90Sr and contributes to a better understanding of the action mechanisms of 90Sr on marrow stromal cells which have a pivotal function in the regulation of the immune and hematopoietic system.

Yes / The proteins of SMC family are characterised by having Walker A and B sites. The Escherichia coli RecN protein is a prokaryotic member of SMC family that involved in the induced excision of Tn10 and the repair of the DNA double strand breaks. In this work, the Walker A nucleotide binding site of the E. coli RecN protein was mutated by changing the highly conserved lysine residue 35 to the aspartic acid (D), designated as recN(K35D). Reverse genetics was utilized to delete the entire recN gene (Delta recN108) or introduce the recN(K35D) gene into the E. coli chromosomal DNA. The recN(K35D) cells showed decreasing in the frequency of excision of Tn10 from gal76

The mutation/deletion of the hereditary material in the cell nuclei is a chronic biochemical hazard; in fact, nuclear DNA faces tens of lesions from metabolic intermediates, hydrolytic reactions and external vectors a minute. The canonical lesions of DNA involve the DNA backbone as well as the nucleic bases and are mostly associated with reversible chemical modifications. However, the radiation field from beams of accelerated ions accounts for a dense streak of collisions and reactions with the DNA molecule, thereby achieving lethal clusters of elemental lesions. Double strand breaks (DSB), i.e., the cleft of the DNA backbone over both strands, are hazardous fractures of the chromatin fold associated with the radiation field, underlying cytotoxic outcomes and chromosomal aberrations. Eukaryotic cells, however, rejoin the fractured DNA moieties from DSB events via an apt enzymatic machinery, or the DDR. Prior to the deployment of enzymatic effectors, host enzyme sensors engage the DNA termini in reversible supramolecular assemblies, which requires that the fractured DNA moieties be fully exposed. The in silico assessments of the early layout of DNA lesions by radiations have defined DSBs as the closely associated modifications of the DNA backbone by means of “coarse” criteria, that is, within an arbitrary distance of the two clefts. However, the diverse DSB motifs, i.e. at a strand break distance of zero to several nucleotides, account for a different contact interface between the DNA termini, thus modulating the dynamics of the lesion sites. Moreover, it is reckoned that in the absence of excess external stimuli, far-distanced DSBs may not fracture the broken DNA moieties by thermal dissociation, within the characteristic timescales of the DDR activity. This thesis elaborate tackles the in silico assessment of the distribution of DSBs in a chromatin-like fold and the local mechanical strain enforced by blunt DSBs, by means of state-of-the-art Monte-Carlo track structure tools and classical molecular dynamics. We infer that i) a Poisson fit describes the spectrum of DSB motifs by the direct effect of accelerated hydrogen ions (H+) at a Bragg peak relevant energy range (500 keV - 5 MeV) and, notably, we observe a bias towards short-distanced, staggered DSBs; ii) the nucleosome fold, i.e. the elemental unit of the chromatin hierarchical framework, exerts an excess kinetic barrier on the disruption of DSBs, which is not observed in linear DNA, mediated by the contact interface between DNA and the core histone fold. In conclusion, we remark that in the absence of further data from in vitro and in vivo assessments, the (kinetic, thermodynamic) inferences about the thermal and mechanical resilience of broken DNA frameworks are as reliable as the force fields underneath; in fact, it is debated whether all-atom force fields and water models overestimate the force of the intermolecular contacts and over-stabilize the DNA double helix.

Les cassures double-brins d’ADN (CDBs) constituent une menace pour la viabilité cellulaire et l’intégrité du génome puisque l’absence de la réparation d’une CDB pourrait conduire à la mort cellulaire. En plus de la réparation par jonction d’extrémités nonhomologues (NHEJ) en phase G1 et de la recombinaison homologue (RH) en phase S et G2, les CDBs peuvent être réparées par l’ajout de télomères par l’action de la télomérase; un phénomène qui s’appelle l’ajout de télomères de novo. Ce phénomène pourrait mettre en danger la stabilité génomique parce qu’il engendre, dans la plupart des cas, une perte du bras chromosomique du fragment non-centromérique. En conséquence, ceci engendre soit une perte de l’hétérozygotie (LOH) dans les cellules diploïdes ou la mort cellulaire dans les cellules haploïdes. Dans le but d’empêcher la formation de télomères de novo, la cellule possède des mécanismes et des voies qui préviennent l’action inappropriée de la télomérase à des CDBs. Une des principales questions dans le domaine est de comprendre comment la cellule inhibe l’ajout de télomères de novo par la télomérase en favorisant la réparation des CDBs par les autres voies (NHEJ et la RH).Dans ce projet, nous utilisons la technique d’hybridation in situ en fluorescence (FISH) sur le facteur limitant de la télomérase, l’ARN TLC1 de la levure S. cerevisiae. Nous avons pu montrer que l’ARN TLC1 fait un trafic intranucléaire durant le cycle cellulaire des cellules sauvages. En phase G1/S, l’ARN TLC1 adopte une localisation nucléoplasmique avec les télomères, alors qu’il s’accumule au nucléole en phase G2/M. Nous avons fait l’hypothèse que l’accumulation de l’ARN TLC1 au nucléole en G2/M pourrait réduire la compétition entre la RH, qui est exclusivement nucléoplasmique, et la télomérase pour la réparation des CDBs. Pour tester cette hypothèse, nous avons employé la bléomycine (blm), un composé chimique générant des CDBs, pour traiter des cellules sauvages ou déficientes de la RH par la délétion du gène RAD52. Nous avons observé que l’ARN TLC1 conserve une localisation nucléolaire dans les cellules sauvages traitées par la blm en phase G2/M, alors que dans lescellules délétées de RAD52 exposées à la blm, l’ARN TLC1 se localise maintenant au nucléoplasme et s’associe partiellement aux sites de cassures. De plus, nous avons trouvé que l’accumulation nucléoplasmique de l’ARN TLC1 dans les cellules délétéées de RAD52 traitées à la blm, dépend de la voie de dommage à l’ADN (MRX, ATM/Tel1 et ATR/Mec1) et de la sumoylation par la SUMO E3ligase, Siz1. Plus particulièrement, l’association de la télomérase à des CDBs dépend de son interaction avec Cdc13, une protéine qui recrute la télomérase aux télomères. D’une manière surprenante, nous avons observé une accumulation rapide de Cdc13 à des CDBs en absence de Rad52, bien que nos résultats suggèrent que Rad52 empêche l’accumulation de l’ARN TLC1 au nucléoplasme par l’inhibition de l’accumulation de Cdc13 aux sites de cassures. L’ensemble de nos résultats ont mis en évidence que la télomérase est normalement exclue des sites de la réparation d’ADN. Cependant, en absence d’une voie fonctionnelle de la RH, la télomérase se localise du nucléole au nucléoplasme et s’accumule partiellement à des CDBs d’une manière dépendante de Cdc13 et Siz1. / DNA double-strand breaks (DSB) constitute a threat to genome integrity and cell survival if they are not repaired. In addition to canonical DNA repair systems such as nonhomologous end joining (NHEJ) in G1 and homologous recombination (HR) in S and G2 phases, DSBs can also be repaired by addition of new telomeres by telomerase. This phenomenon is referred to as telomere healing or de novo telomere addition. This process threatens genome stability since it results in chromosome arm loss, which could be lethal in haploid cells and lead to loss of heterozygosity (LOH) in diploid cells. Therefore, cells possess mechanisms that prevent the untimely action of telomerase on DSBs. One of the questions driving this field is to understand how telomere addition by telomerase is inhibited and DSBs repair can be efficiently performed by canonical DSB repair (NHEJ and HR). In this project, we used fluorescent in situ hybridization (FISH) to detect the endogenous TLC1 RNA, which is the limiting component of telomerase of the budding yeast. Using this technique, we found that TLC1 RNA traffics inside the nucleus during the cell cycle of wild-type cells. In G1 and S phases, TLC1 RNA adopts a nucleoplasmic localization, which is related to its function in telomere elongation, while it accumulates in the nucleolus in G2/M. We hypothesize that the nucleolar accumulation of TLC1 RNA in G2/M may reduce the possibility that telomerase interferes with HR to repair DNA DSB, since HR is excluded from the nucleolus and occurs only in the nucleoplasm. To test this hypothesis, we treated wild-type and rad52 (HR deficient cells) with bleomycin, a radiomimetic agent that generates preferentially DSBs. Our results show that after induction of DSB with bleomycin, TLC1 RNA remains nucleolar in wild-type cells in G2/M, but accumulates in the nucleoplasm and colocalizes partially with DSBs sites in rad52 cells, suggesting that RAD52 inhibits the nucleoplasmic accumulation of TLC1 RNA in the presence of DSBs. Nucleoplasmic accumulation of TLC1 RNA after DSB induction requires the DNA damage pathway (MRX, ATM/Tel1 and ATR/Mec1), and the SUMO ligase E3 Siz1. Interestingly, association of TLC1 RNA with DSBs depends on the single-strand telomeric binding protein Cdc13, which rapidly accumulates at sites of DNA damage, while Rad52 suppresses this process by inhibiting Cdc13 accumulation at DSBs. These results suggest that telomerase is normally excluded from sites of DNA repair. In the absence of functional homologous recombination, telomerase leaves the nucleolus and accumulates partially at DSB in the nucleoplasm in a Cdc13- and Siz1-dependent manner.

L’élimination programmée d’ADN spécifique de la lignée germinale pour former un nouveau noyau somatique a été décrite chez les eucaryotes. Ces réarrangements sont initiés par l’introduction de cassures double brin (CDB) de l’ADN et la préservation de l’intégrité du génome requiert une réparation efficace. Chez Paramecium tetraurelia, le génome est largement réarrangé pendant le développement du nouveau noyau somatique, après l’introduction de milliers de cassures double brin programmées par la transposase domestiquée PiggyMac (Pgm)Ces réarrangements consistent en l’excision précise de dizaines de milliers de séquences uniques et non codantes (IES) qui interrompent 47% des gènes dans la lignée germinale ; et l’élimination hétérogène de séquences répétées qui mène à des délétions internes de taille variable ou à la fragmentation des chromosomes avec addition de télomères aux extrémités.L’implication de la voie du Non Homologous End Joining (NHEJ) dans l’excision précise des IES a été prouvée. Dans des cellules déplétées de Ligase IV ou XRCC4, les cassures aux bornes des IES sont introduites normalement mais il n’y a pas de jonctions d’excision formées et les extrémités cassées s’accumulent sans être dégradées. Mais la voie de réparation impliquée dans les réarrangements imprécis est encore inconnue. L’hypothèse d’une réparation par la voie NHEJ alternative (alt-NHEJ), indépendante de Ku et impliquant la résection des extrémités et l’utilisation de microhomologie, a été émise. C’est pourquoi pendant ma thèse je me suis intéressé à ma thèse au rôle des protéines Ku.Deux gènes KU70 et trois gènes KU80 ont été identifiés dans le génome de la paramécie. KU70a et KU80c sont spécifiquement induits pendant les réarrangements programmés du génome et les protéines localisent dans les noyaux somatiques en développement. Des expériences d’extinction de ces gènes par ARN interférence ont prouvé que ces gènes étaient indispensables. Au niveau moléculaire, l’ADN non réarrangé est amplifié dans les cellules déplétées de Ku. De plus, les cassures double brin programmées ne sont pas introduites aux bornes des IES.Mes résultats suggèrent que Ku fait partie d’un complexe de pré-excision, avec la transposase domestiquée Pgm, et est nécessaire pour l’introduction des cassures double brin programmées pendant les réarrangements programmés du génome. / Programmed elimination of germline specific DNA has been described in several eukaryotic organisms. These rearrangements are initiated through introduction of DNA double strand breaks (DSB). To ensure genome integrity, efficient repair is needed. In Paramecium tetraurelia, the genome is widely rearranged during development of a new somatic nucleus after introduction of tens of thousands of DSBs by the domesticated transposase PiggyMac (Pgm)These rearrangements consist in: the precise excision of thousands of unique and non coding sequences called IESs that interrupt 47% of genes in the germline; and the heterogeneous elimination of repeated sequences. It leads to internal deletions of variable sizes or to chromosome fragmentation with telomere addition at DNA ends.Implication of the Non Homologous End Joining Pathway (NHEJ) in precise IES excision has been proved. In cells depleted for Ligase IV or XRCC4, DSBs at IES boundaries are introduced normally but broken DNA ends accumulate without being repaired nor degraded. The repair pathway implicated in heterogeneous rearrangements is still unknown. An hypothesis would be that heterogeneous rearrangements involve a Ku independent alternative NHEJ (alt-NHEJ) pathway characterized by end resection and use of microhomologies. During my thesis I studied the role of Ku proteins in programmed genome rearrangements.Two KU70 genes and three KU80 genes has been identified in the Paramecium genome. KU70a and KU80c are specifically induced during programmed genome rearrangements. Encoded proteins localize in developing somatic nuclei. Gene extinction by RNA interference experiments proved that these genes are necessary for programmed genome rearrangements. At molecular level, non rearranged DNA is amplified in cells depleted for Ku. And more surprisingly, no programmed DSBs are introduced at IES boundaries in these cells.My results indicate that Ku is a part of a pre excision complex with the domesticated transposase Pgm and necessary for the introduction of programmed DSB during programmed genome rearrangements.

L'Efficacité Biologique Relative (EBR) des faisceaux de protons énergétiques (70-250 MeV) utilisés dans les différents centres de protonthérapie est classiquement estimée à 1,10 par rapport aux photons du Cobalt-60. Bien qu'en accord avec la mesure de la régénération des cryptes intestinales chez la souris après exposition à une dose unique de 10 à 15 Gy, cette valeur moyenne a été contestée par la microdosimétrie. Ces incertitudes nous ont conduits à analyser l'effet des protons mis en œuvre dans les deux faisceaux médicaux (76 et 201 MeV) du Centre de Protonthérapie de l’Institut Curie à Orsay (ICPO) sur deux lignées cellulaires humaines tumorales, et en partie sur une lignée fibroblastique. Les résultats font apparaître une différence de la valeur de l'EBR pour la survie au rayonnement dans la partie distale du SOBP (Spread-Out Bragg Peak) en fonction de l'énergie incidente, ainsi qu'une absence de corrélation entre la réponse en survie et l'incidence des cassures double-brin de l'ADN dans le faisceau de 76 MeV. Nous montrons cependant, grâce à l'utilisation de lignées défectives dans les voies de signalisation et de réparation des cassures double-brin de l'ADN par le D-NHEJ, que ces voies déterminent la valeur de l'EBR dans la partie distale du SOBP de 76 MeV. La réponse aux dommages de l'ADN dans cette région suggère que les dommages létaux appartiennent à la classe des “lésions complexes” (LMDS) de l'ADN. D'autre part, il apparaît que la fluence des particules constitue un paramètre majeur qui doit être pris en compte dans la partie distale des faisceaux. / Treatment planning in proton therapy uses a generic value for the Relative Biological Efficiency (RBE) of 1.1 relative to 60Co gamma-rays throughout the Spread Out Bragg Peak (SOBP). We have studied the variation of the RBE at three positions in the SOBP of the 76 and 201 MeV proton beams used for cancer treatment at the Institut Curie Proton Therapy in Orsay (ICPO) in two human tumor cell lines using clonogenic cell death and the incidence of DNA double-strand breaks (DSB) as measured by pulse-field gel electrophoresis without and with endonuclease treatment to reveal clustered lesions as endpoints.The RBE for induced cell killing by the 76 MeV beam increased with depth in the SOBP. However for the 201 MeV protons it was close to that for 137Cs gamma-rays and did not vary significantly. The incidence of DSBs and clustered lesions was higher for protons than for 137Cs g-rays, but did not depend on the proton energy or the position in the SOBP.In the second part of our work, we have shown using cell clones made deficient for known repair genes by stable or transient shRNA transfection, that the D-NHEJ pathway determine the response to protons. The response of DNA damages created in the distal part of the 76 MeV SOBP suggests that those damages belong to the class of DNA "complex lesions" (LMDS). It also appears that the particle fluence is a major determinant of the outcome of treatment in the distal part of the SOBP.

Notre génome est constamment attaqué par des facteurs endogènes et exogènes qui menacent son intégrité et conduisent à différents types de dommages. Les cassures double brins (CDBs) font partie des dommages les plus nuisibles car elles peuvent entraîner la perte d'information génétique, des translocations chromosomiques et la mort cellulaire. Tous les processus de réparation se déroulent dans le cadre d'une chromatine hautement organisée et compartimentée. Cette chromatine peut être divisée en un compartiment ouvert transcriptionnellement actif (euchromatine) et un compartiment compacté transcriptionnellement inactif (hétérochromatine). Ces différents degrés de compaction jouent un rôle dans la régulation de la réponse aux dommages à l’ADN. L'objectif de mon premier projet était de comprendre l'influence de l'organisation 3D du génome sur la réparation de l'ADN. Pour cela, j’ai utilisé deux approches complémentaires dans le but d’induire et de cartographier les CDBs dans le génome de souris. Mes résultats ont mis en évidence un enrichissement de γH2AX, facteur de réparation des dommages à l’ADN, sur différentes régions du génome de cellules souches embryonnaires de souris, et ont également montré que les dommages persistent dans l’hétérochromatine, contrairement à l’euchromatine qui est protégée des dommages. Pour mon deuxième projet, j'ai cartographié l'empreinte génomique de 53BP1, facteur impliqué dans la réparation des CDBs, dans des cellules U2OS asynchrones et des cellules bloquées en G1 afin d’identifier de nouveaux sites de liaison de 53BP1. Mes résultats ont permis d’identifier de nouveaux domaines de liaison de 53BP1 couvrant de larges régions du génome, et ont montré que ces domaines de liaison apparaissent dans des régions de réplication moyenne et tardive. / Our genome is constantly under attack by endogenous and exogenous factors which challenge its integrity and lead to different types of damages. Double strand breaks (DSBs) constitute the most deleterious type of damage since they maylead to loss of genetic information, translocations and cell death. All the repair processes happen in the context of a highly organized and compartmentalized chromatin. Chromatin can be divided into an open transcriptionally active compartment (euchromatin) and a compacted transcriptionally inactive compartment (heterochromatin). These different degrees of compaction play important roles in regulating the DNA damage response. The goal of my first project was to understand the influence of 3D genome organization on DNA repair. I used two complementary approaches to induce and map DSBs in the mouse genome. My results have shown that enrichment of the DNA damage repair factor γH2AX occurs at distinct loci in the mouse embryonic stem cell genome and that the damage persists in the heterochromatin compartment while the euchromatin compartment is protected from DNA damage. For my second project, I mapped the genomic footprint of 53BP1, a factor involved in DSBs repair, in asynchronous and G1 arrested U2OS cells to identify novel 53BP1 binding sites. My results have identified novel 53BP1 binding domains which cover broad regions of the genome and occur in mid to late replicating regions of the genome.

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Les défauts dans la réparation des cassures double-brin de l'ADN (DSBs) peuvent avoir d'importantes conséquences pouvant entrainer une instabilité génomique et conduire à la mort cellulaire ou au développement de cancers. Dans la plupart des cellules mammifères, le mécanisme de Jonction des Extrémités Non Homologues (NHEJ) est le principal mécanisme de réparation des DSBs. L'ADN Ligase IV (LigIV) est une protéine unique dans sa capacité à promouvoir la NHEJ classique. Elle s'associe avec deux autres protéines structuralement similaires, XRCC4 et XLF (ou Cernunnos). LigIV interagit directement avec XRCC4 pour former un complexe stable, tandis que l'interaction entre XLF et ce complexe est médiée par XRCC4. XLF stimule fortement l'activité de ligation du complexe LigIV/XRCC4 par un mécanisme encore indéterminé. Récemment, un rôle structurel non catalytique a été attribué à LigIV (Cottarel et al., 2013). Dans le travail de thèse présenté ici, nous avons reconstitué l'étape de ligation de la NHEJ en utilisant des protéines recombinantes produites dans des bactéries afin d’une part, d'explorer les bases moléculaires du rôle structural de LigIV, d’autre part de comprendre le mécanisme par lequel XLF stimule le complexe de ligation, et enfin de mieux comprendre comment ces trois protéines coopèrent au cours de la NHEJ. Nos analyses biochimiques suggèrent que XLF via son interaction avec XRCC4 lié à LigIV, pourrait induire un changement conformationnel dans la LigIV. Ce réarrangement de la ligase exposerait son interface de liaison à l'ADN ce qui lui permettrait alors de ponter deux molécules indépendantes d'ADN, une capacité indépendante de l'activité catalytique de LigIV. / Failure to repair DNA double-strand breaks (DSBs) may have deleterious consequences inducing genomic instability and even cell death. In most mammalian cells, Non-Homologous End Joining (NHEJ) is a prominent DSB repair pathway. DNA ligase IV (LigIV) is unique in its ability to promote classical NHEJ. It associates with two structurally related proteins called XRCC4 and XLF (aka Cernunnos). LigIV directly interacts with XRCC4 forming a stable complex while the XLF interaction with this complex is mediated by XRCC4. XLF strongly stimulates the ligation activity of the LigIV/XRCC4 complex by an unknown mechanism. Recently, a structural noncatalytic role of LigIV has been uncovered (Cottarel et al., 2013). Here, we have reconstituted the end joining ligation step using recombinant proteins produced in bacteria to explore not only the molecular basis for the structural role of LigIV, but also to understand the mechanism by which XLF stimulates the ligation complex, and how these three proteins work together during NHEJ. Our biochemical analysis suggests that XLF, through interactions with LigIV/XRCC4 complex, could induce a conformational change in LigIV. Rearrangement of the LigIV would expose its DNA binding interface that is able to bridge two independent DNA molecules. This bridging ability is fully independent of LigIV’s catalytic activity. We have mutated this interface in order to attempt to disrupt the newly identified DNA bridging ability. In vitro analysis of this LigIV mutant will be presented as well as a preliminary in vivo analysis.

Hintergrund Die Strahlentherapie ist neben der radikalen Prostatektomie eine Standardtherapie zur Behandlung von Prostatatumoren und führt zu sehr guten Ergebnissen für die lokale Tumorkontrolle und für das Überleben. Allerdings ist, wie bei der Operation auch, dabei das Risiko eines Rezidivs für fortgeschrittene Tumoren im Gegensatz zu Tumoren in früheren Stadien relativ hoch. Daher besteht eine hohe Dringlichkeit zur Verbesserung der Strahlentherapie vor allem bei fortgeschrittenen Tumoren. Ein Ansatz hierfür ist die Kombination der Bestrahlung mit molekularen Therapien. Ziel dabei ist es, bestimmte Zielproteine zu blockieren, um die Strahlensensibilität der Prostatakarzinomzellen zu erhöhen. Ein potentielles Target könnte hierbei die Blockade des VEGF-C/NRP-2/Akt-Signalwegs (VEGF-C – vascular endothelial growth factor C; NRP-2 – Neuropilin 2; Akt – Proteinkinase B) sein. Im Prostatakarzinom sind die Konzentrationen von VEGF-C und NRP-2 im Vergleich zu normalen Prostatazellen erhöht. Aus Untersuchungen ist bekannt, dass beide Proteine eine progressive Wirkung auf die Tumorgenese haben. In Vorarbeiten zeigen Muders et al. (2009) zudem eine Aktivierung von Akt über die VEGF-C/NRP-2-Achse und eine darüber vermittelte Resistenz gegenüber oxidativem Stress durch H2O2. Akt wirkt in verschiedenen Tumorentitäten außerdem protektiv gegenüber Bestrahlung. Es besteht die Annahme, dass dies auch für Prostatakarzinomzellen gilt. Zielstellung Im Rahmen dieser Arbeit wurde untersucht, ob und über welchen Mechanismus VEGF-C, NRP-2 und Akt die Strahlenresistenz in Prostatakarzinomzelllinien beeinflussen. Methoden Es wurden in vitro- und in vivo-Experimente in den humanen Prostatakarzinomzelllinen PC-3, DU145, LNCaP sowie in PC-3-Xenografts durchgeführt. Der Einfluss von VEGF-C und NRP-2 auf die Strahlenresistenz wurde in vitro nach Herunterregulierung der entsprechenden Gene mittels siRNA beziehungsweise nach Supplementierung mit humanem rekombinanten VEGF-C in Koloniebildungsassays untersucht. Zur Ermittlung des Einflusses von VEGF-C und von NRP-2 auf mögliche Zellüberlebensmechanismen wurden der autophagische Flux nach Blockade der Autophagie mit Bafilomycin A1 mittels Western Blot, die DNA-Doppelstrangbruch-Reparatur mittels Quantifizierung der γH2AX Foci sowie die Zellzyklusverteilung mittels Durchflusszytometrie untersucht. Die Signalweiterleitung von VEGF-C über Akt sowie, als weitere Möglichkeit, die Signalweiterleitung über ERK1/2 wurden nach siRNA-Transfektion mit und ohne Bestrahlung mittels Western Blot geprüft. Weitere Versuche zu Akt erfolgten in vitro und in vivo mit dem PI3K/Akt-Inhibitor Nelfinavir in PC-3-Zellen. Der in vitro Effekt von Nelfinavir auf die Strahlenresistenz wurde dabei mithilfe eines Koloniebildungsassays nach Behandlung der Zellen mit 10 µM Nelfinavir getestet. In vivo wurde die Wirkung von Nelfinavir ohne sowie in Kombination mit Bestrahlung in PC-3-Xenografts in Nacktmäusen untersucht. Für die Bestimmung der Tumorwachstumszeit wurden die Mäuse mit 80 mg Nelfinavir/kg Körpergewicht 30 mal innerhalb von 6 Wochen behandelt. In einem weiteren Versuch wurde die lokale Tumorkontrolle bei gleichzeitiger fraktionierter Bestrahlung mit Gesamtdosen von 30 bis 120 Gy und einer Nachbeobachtungszeit von 180 Tagen bestimmt. Ergebnisse Die Untersuchungen zur Strahlenresistenz über den VEGF-C/NRP-2/Akt-Signalweg haben ergeben, dass in den drei Prostatakarzinomzelllinien PC-3, DU145 und LNCaP VEGF-C signifikant Strahlenresistenz vermittelt. Für NRP-2 hingegen wurde festgestellt, dass es in Abhängigkeit von der Zelllinie entweder zur Strahlenresistenz (DU145) oder zur Strahlensensibilisierung (PC-3) führt. Weiterhin wurde nachgewiesen, dass durch VEGF-C in PC-3 und DU145 weder über Akt noch über ERK1/2 Strahlenresistenz vermittelt wird. Die Versuche zu Strahlenresistenz vermittelnden Mechanismen ergaben, dass VEGF-C in unbestrahlten PC-3-Zellen die Autophagie fördert, NRP-2 jedoch nicht. Unter Bestrahlung war ein Effekt von VEGF-C und NRP-2 auf die Autophagie nicht reproduzierbar nachweisbar. Ein weiterer Versuch hat gezeigt, dass in PC-3 Autophagie keinen Einfluss auf das klonogene Überleben nach Bestrahlung hat. Außerdem wurde festgestellt, dass VEGF-C in PC-3 die DNA-Doppelstrangbruch-Reparatur nicht beeinflusst. Darüber hinaus wurde nachgewiesen, dass eine Verminderung des VEGF-C-Gehalts in PC-3 zum G2/M-Arrest führt. In DU145 konnte jedoch kein Effekt beobachtet werden. In den Untersuchungen zum Einfluss von Akt auf die Strahlenresistenz unabhängig von VEGF-C und NRP-2 wirkte Nelfinavir inhibierend auf die Akt-Phosphorylierung am Ser473 und beeinflusste das klonogene Überleben von PC-3-Zellen minimal. In PC-3-Xenografts führte Nelfinavir zu keiner Tumorwachstumsverzögerung und wirkte in vitro und in vivo nicht strahlensensibilisierend. Schlussfolgerung In den Versuchen konnte gezeigt werden, dass VEGF-C in Prostatakarzinomzellen Strahlenresistenz vermittelt. Diese Erkenntnis könnte als ein Forschungsansatz zur Entwicklung einer kombinierten Therapie aus VEGF-C-Blockade und Bestrahlung dienen. Ein potentieller Mechanismus, über den VEGF-C die Strahlenresistenz vermittelt, ist, in Abhängigkeit von der Zelllinie, die Aufhebung des G2/M-Arrests. NRP-2 wirkt in der Vermittlung von Strahlenresistenz beziehungsweise sensibilität je nach Zelllinie unterschiedlich. Hierzu sollten weitere Untersuchungen bezüglich möglicher Interaktionen innerhalb anderer Signalwege mit strahlensensibilisierendem Einfluss erfolgen. Innerhalb des untersuchten Signalwegs konnte weiterhin festgestellt werden, dass VEGF-C Strahlenresistenz nicht über Akt vermittelt. Die vorliegende Arbeit enthält die erste Studie sowohl zur Untersuchung des Einflusses von Nelfinavir in Kombination mit Bestrahlung auf das Überleben von Prostatakarzinomzellen in vitro als auch auf die Tumorwachstumszeit und die lokale Tumorkontrolle in vivo. Hierin konnte keine strahlensensibilisierende Wirkung von Nelfinavir nachgewiesen werden. Da Nelfinavir in Zellen anderer Tumorentitäten strahlensensibilisierend wirkt und außerdem bekannt ist, dass es in eine Reihe von Signalwegen eingreift, die das Zellüberleben fördern oder hemmen, sollte weiter geklärt werden, ob Tumorzellen mit einem bestimmten genetischen Profil besser auf die Behandlung mit Nelfinavir ansprechen. / Background In addition to radical prostatectomy, radiotherapy is a standard therapy for the treatment of prostate tumours and leads to good results for local tumour control and survival. However, as with the resection, the risk of recurrence for advanced tumours is relatively high compared to tumours in earlier stages. Therefore, there is a high urgency to improve radiotherapy especially for advanced stages. One approach is the combination of irradiation with molecular therapies. The aim is to block certain target proteins to increase the radiosensitivity of the prostate carcinoma cells. A potential target could be the blockade of the VEGF-C/NRP-2/Akt signalling pathway (VEGF-C – vascular endothelial growth factor C; NRP-2 – neuropilin 2; Akt – protein kinase B). In prostate cancer the concentrations of VEGF-C and NRP-2 are increased compared to normal prostate cells. Studies have shown that both proteins have a progressive effect on tumourigenesis. In preliminary work Muders et al. (2009) also showed the activation of Akt via the VEGF-C/NRP-2 axis and a resistance to H2O2 induced oxidative stress. Akt also has a protective effect against irradiation in various tumour entities. It is assumed that this also applies to prostate carcinoma cells. Aim of the study Within the framework of this thesis, it was investigated whether and via which mechanism VEGF-C, NRP-2, and Akt affect the radioresistance in prostate carcinoma cell lines. Methods In vitro and in vivo experiments were performed in the human prostate carcinoma cell lines PC-3, DU145, LNCaP, as well as in PC-3 xenografts. The influence of VEGF-C and NRP-2 on the radioresistance was examined in vitro after knock down of the corresponding genes using siRNA or after supplementation with human recombinant VEGF-C in colony formation assays. In order to determine the influence of VEGF-C and NRP-2 on possible cell survival mechanisms, the autophagic flux was examined after the blockade of autophagy with bafilomycin A1 using western blot, the DNA double strand break repair by quantification of the γH2AX foci, and the cell cycle distribution by flow cytometry. The signal transduction of VEGF-C via Akt as well as, as a further possibility, the signal transduction via ERK1/2 were tested after siRNA transfection with and without irradiation using western blot. Further experiments on Akt were performed in vitro and in vivo with the PI3K/Akt inhibitor nelfinavir in PC-3 cells. The in vitro effect of nelfinavir on radioresistance was tested using a colony formation assay after treatment of the cells with 10 μM nelfinavir. In vivo, the effect of nelfinavir without and in combination with irradiation in PC-3 xenografts was investigated in nude mice. For the determination of the tumour growth time, the mice were treated with 80 mg nelfinavir/kg body weight 30 times within 6 weeks. In a further experiment, the local tumour control was determined with simultaneous fractionated irradiation with total doses of 30 to 120 Gy and a follow-up time of 180 days. Results The investigations on radioresistance via the VEGF-C/NRP-2/Akt signalling pathway showed that in the three prostate carcinoma cell lines PC-3, DU145, and LNCaP VEGF-C significantly mediates radioresistance. For NRP-2 however, it was found that, depending on the cell line, it either leads to radioresistance (DU145) or radiosensitization (PC-3). Further, it was shown that in PC-3 and DU145 VEGF-C does not mediate radioresistance via Akt or ERK1/2. The experiments on radioresistance mediating mechanisms revealed that VEGF-C promotes autophagy in untreated PC-3 cells, but NRP-2 does not. Under irradiation, an effect of VEGF-C and NRP-2 on autophagy could not be detected reproducibly. A further experiment has shown that in PC-3 autophagy has no influence on the clonogenic survival after irradiation. In addition, it was found that VEGF-C does not affect the DNA double strand break repair in PC-3. Furthermore, it was shown that a reduction in the VEGF-C content leads to a G2/M arrest in PC-3. However, no effect could be observed in DU145. In studies regarding the influence of Akt on radioresistance independent of VEGF-C and NRP-2, nelfinavir inhibited Akt phosphorylation at Ser473 and minimally affected the clonogenic survival of PC-3 cells. In PC-3 xenografts, nelfinavir did not lead to any tumour growth delay and did not have a radiosensitizing effect in vitro or in vivo. Conclusion In the experiments, it was shown that VEGF-C mediates radioresistance in prostate cancer cells. This finding could serve as a research approach for the development of a combined therapy of a VEGF-C blockade and irradiation. A potential mechanism by which VEGF-C mediates radioresistance is the reverse of the G2/M arrest, depending on the cell line. NRP-2 acts differently in the mediation of radioresistance or radiosensitivity, depending on the cell line. On this, further investigations should be carried out with regard to possible interactions within other signalling pathways with a radiosensitizing influence. Within the investigated signalling pathway, it was further shown that VEGF-C does not mediate radioresistance via Akt. The present work contains the first study examining the effect of nelfinavir in combination with irradiation on prostate cancer cell survival in vitro as well as on growth time and local tumour control in vivo. Herein no radiosensitizing effects of nelfinavir could be detected. Since nelfinavir radiosensitizes cells of other tumour entities and is also known to interfere with a series of signalling pathways that promote or inhibit cell survival, it should be clarified whether tumour cells with a particular genetic profile are more responsive to treatment with nelfinavir.