BMBF Verbundprojekt DSB-Rep: DNA-Doppelstrangbruchreparatur in Tumoren: Mechanismen und Targets (02NUK032)

Kai Rothkamm, Kerstin Borgmann, Wael Mansour, Malte Kriegs, Thorsten Rieckmann, Annette Raabe

Projektlaufzeit: 01.07.2014 – 30.06.2023

DNA-Doppelstrangbrüche (DSB) sind nach ionisierender Bestrahlung die wichtigsten DNA-Schäden. Zellen verfügen daher über ein komplexes Netzwerk, diese Schäden zu erkennen und erfolgreich zu reparieren. Bezüglich dieses Netzwerkes zeigen Tumorzellen im Vergleich zu Normalzellen deutliche Abweichungen. Dies betrifft die Initiierung, die Regulierung als auch die Effektivität der verschiedenen Reparaturwege. Diese Abweichungen in der DSB-Reparatur bieten die außerordentliche Chance, neue Zielstrukturen für eine spezifische Inaktivierung von Tumorzellen zu etablieren. Das primäre Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es daher, diese tumorspezifischen Veränderungen der DSB-Reparatur zu erfassen und die dafür verantwortlichen molekularen Mechanismen aufzuklären. Darauf aufbauend sollen neue Targets für eine zielgerichtete Inaktivierung von Tumoren identifiziert werden, um damit langfristig höhere Heilungsraten für Tumorpatienten zu erreichen.

AP1: Alternatives Endjoining. Mittels funktioneller Tests (Reparaturplasmide; Nachweis von Reparaturfoci) soll die Regulation der DSB-Reparatur und vor allem die Bedeutung des alternativen Endjoinings primär in Prostatatumoren untersucht und Ansätze zur zielgerichteten Therapie basierend auf dem „Synthetic Lethality“-Konzept entwickelt werden.

AP2: Homologe Rekombination (HR) und Replikation, ihre Interaktion und die Bedeutung der in vielen Brusttumoren eingeschränkten HR-Funktion als Ansatz für die selektive Tumorinaktivierung sollen mittels Biomarkern und funktionellen Assays untersucht werden.

AP3: EGFR und ERK-Signalwege beeinflussen die zelluläre Strahlenreaktion und DSB-Reparaturwege in vielen Tumoren. Hier sollen die zu Grunde liegenden Mechanismen erforscht und Möglichkeiten der tumorspezifischen Strahlensensibilisierung in Kopf-Hals-Tumoren und Glioblastomen erforscht werden.

AP4: HPV-Infektion. Es sollen die bei HPV-assoziierten Kopf-Hals-Tumoren beobachteten Störungen der DNA-Schadensantwort näher charakterisiert und darauf aufbauend Biomarker zur Stratifizierung sowie Ansätze für angepasste Behandlungsstrategien entwickelt werden.

AP5: Lehre in Strahlenbiologie & Experimenteller Radioonkologie. Lehrinhalte in Bachelor-, Master- und Medizinstudiengängen sollen auf vielfältige Weise mit aktuellen Forschungsfragen aus Medizin und Naturwissenschaften verknüpft werden.

• Al Zubaidi T, Gehrisch OHF, Genois MM, Liu Q, Lu S, Kung J, Xie Y, Schuemann J, Lu HM, Hata AN, Zou L, Borgmann K, Willers H. (2021) Targeting the DNA replication stress phenotype of KRAS mutant cancer cells. Sci Rep 11:3656.
  Beizaei K, Gleißner L, Hoffer K, Bußmann L, Steinmeister L, Laban S, Möckelmann N, Münscher A, Petersen C, Rothkamm K, Kriegs M (2019) Receptor tyrosine kinase MET is a new potential target of multi-kinase inhibitor and radiosensitizer sorafenib in HNSCC but MET inhibition fails to radiosensitize HNSCC cells. Head Neck, 41:208-215.
  Berger J, Zech HB, Hoffer K, von Bargen CM, Nordquist L, Bussmann L, Gatzemeier F, Busch CJ, Möckelmann N, Münscher A, Betz CS, Petersen C, Rothkamm K, Rieckmann T, Köcher S, Kriegs M. (2021) Kinomic comparison of snap frozen and ex vivo-cultured head and neck tumor. Oral Oncol 123:105603.
  Bold IT, Specht AK, Droste CF, Zielinski A, Meyer F, Clauditz TS, Münscher A, Werner S, Rothkamm K, Petersen C, Borgmann K. (2021) DNA Damage Response during Replication Correlates with CIN70 Score and Determines Survival in HNSCC Patients. Cancers 13:1194.
  Borgmann M, Oetting A, Meyer F, Möckelmann N, Droste C, von Bargen CM, Möller-Koop C, Witt M, Borgmann K, Rothkamm K, Betz C, Münscher A, Clauditz TS, Rieckmann T (2023). The prognostic impact of B7-H3 and B7-H4 in head and neck squamous cell carcinoma. J Cancer Res Clin Oncol 149:3383-3393.
  Bose M, Sachsenweger J, Laurila N, Parplys AC, Willmann J, Jungwirth J, Groth M, Rapakko K, Nieminen P, Friedl TWP, Heiserich L, Meyer F, Tuppurainen H, Peltoketo H, Nevanlinna H, Pylkäs K, Borgmann K, Wiesmüller L, Winqvist R, Pospiech H (2019) BRCA1 mislocalization leads to aberrant DNA damage response in heterozygous ABRAXAS1 mutation carrier cells. Hum Mol Genet 28:4148-4160.
  Boyd PS, Struve N, Bach M, Eberle JP, Gote M, Schock F, Cremer C, Kriegs M, Hausmann M (2016) Clustered localization of EGFRvIII in glioblastoma cells as detected by high precision localization microscopy. Nanoscale 8, 20037-20047.
  Burdak-Rothkamm S, Mansour WY, Rothkamm K. (2020) DNA Damage Repair Deficiency in Prostate Cancer. Trends Cancer. 6:974-984.
  Busch CJ, Hagel C, Becker B, Oetting A, Möckelmann N, Droste C, Möller-Koop C, Witt M, Blaurock M, Loges S, Rothkamm K, Betz C, Münscher A, Clauditz TS, Rieckmann T. (2022) Tissue Microarray Analyses Suggest Axl as a Predictive Biomarker in HPV-Negative Head and Neck Cancer. Cancers (Basel) 14:1829.
  Busch CJ, Kröger MS, Jensen J, Kriegs M, Gatzemeier F, Petersen C, Münscher A, Rothkamm K, Rieckmann T (2017) G2-checkpoint targeting and radiosensitization of HPV/p16-positive HNSCC cells through the inhibition of Chk1 and Wee1. Radiother Oncol 122, 260-266.
  Bußmann L, Hoffer K, von Bargen CM, Droste C, Lange T, Kemmling J, Schröder-Schwarz J, Vu AT, Akingunsade L, Nollau P, Rangarajan S, de Wijn R, Oetting A, Müller C, Böckelmann LC, Zech HB, Berger JC, Möckelmann N, Busch CJ, Böttcher A, Gatzemeier F, Klinghammer K, Simnica D, Binder M, Struve N, Rieckmann T, Schumacher U, Clauditz TS, Betz CS, Petersen C, Rothkamm K, Münscher A, Kriegs M. (2021) Analyzing tyrosine kinase activity in head and neck cancer by functional kinomics: Identification of hyperactivated Src family kinases as prognostic markers and potential targets. Int J Cancer 149:1166-1180.
  Cetin MH, Rieckmann T, Hoffer K, Riepen B, Christiansen S, Gatzemeier F, Feyerabend S, Schoof M, Schüller U, Petersen C, Mynarek M, Rothkamm K, Kriegs M, Struve N (2023). G2 checkpoint targeting via Wee1 inhibition radiosensitizes EGFRvIII-positive glioblastoma cells. Radiat Oncol 18:19.
  Degenhardt S, Dreffke K, Schötz U, Petersen C, Engenhart-Cabillic R, Rothkamm K, Dahm-Daphi J, Dikomey E, Mansour WY (2020) Establishment of a transformation coupled in vitro end joining assay to estimate radiosensitivity in tumor cells. Front Oncol 10:1480.
  Dyshlovoy SA, Kaune M, Kriegs M, Hauschild J, Busenbender T, Shubina LK, Makarieva TN, Hoffer K, Bokemeyer C, Graefen M, Stonik VA, von Amsberg G (2020) Marine alkaloid monanchoxymycalin C: a new specific activator of JNK1/2 kinase with anticancer properties. Sci Rep 10:13178.
  Elsesy ME, Oh-Hohenhorst SJ, Löser A, Oing C, Mutiara S, Köcher S, Meien S, Zielinski A, Burdak-Rothkamm S, Tilki D, Huland H, Schwarz R, Petersen C, Bokemeyer C, Rothkamm K, Mansour WY (2020) Second-generation antiandrogen therapy radiosensitizes prostate cancer regardless of castration state through inhibition of DNA double strand break repair. Cancers 12, 2467.
  Elsesy ME, Oh-Hohenhorst SJ, Oing C, Eckhardt A, Burdak-Rothkamm S, Alawi M, Müller C, Schüller U, Maurer T, von Amsberg G, Petersen C, Rothkamm K, Mansour WY (2023). Preclinical patient-derived modelling of castration-resistant prostate cancer facilitates individualized assessment of homologous recombination repair deficient disease. Mol Oncol 17:1129-1147.
  Gleißner L, Kwiatkowski M, Myllynen L, Steffen P, Petersen C, Rothkamm K, Schlüter H, Kriegs M (2017) Analyzing the influence of kinase inhibitors on DNA repair by differential proteomics of chromatin-interacting proteins and nuclear phospho-proteins. Oncotarget 8:110983-110993.
  Güster JD, Weissleder SV, Busch CJ, Kriegs M, Petersen C, Knecht R, Dikomey E, Rieckmann T (2014) The inhibition of PARP but not EGFR results in the radiosensitization of HPV/p16-positive HNSCC cell lines. Radiother Oncol 113(3):345-51.
  Hintelmann K, Berenz T, Kriegs M, Christiansen S, Gatzemeier F, Struve N, Petersen C, Betz C, Rothkamm K, Oetting A, Rieckmann T. (2021) Dual Inhibition of PARP and the Intra-S/G2 Cell Cycle Checkpoints Results in Highly Effective Radiosensitization of HPV-Positive HNSCC Cells. Front Oncol 11:683688.
  Hintelmann K, Kriegs M, Rothkamm K, Rieckmann T (2020) Improving the efficacy of tumor radiosensitization through combined molecular targeting. Front Oncol 10, 1260.
  Hintelmann K, Petersen C, Borgmann K (2023). Radiotherapeutic Strategies to Overcome Resistance of Breast Cancer Brain Metastases by Considering Immunogenic Aspects of Cancer Stem Cells. Cancers 15:211.
  Hinz N, Baranowsky A, Horn M, Kriegs M, Sibbertsen F, Smit DJ, Clezardin P, Lange T, Schinke T, Jücker M. (2021) Knockdown of AKT3 Activates HER2 and DDR Kinases in Bone-Seeking Breast Cancer Cells, Promotes Metastasis In Vivo and Attenuates the TGFβ/CTGF Axis. Cells 10:430
  Köcher S, Beyer B, Lange T, Nordquist L, Volquardsen J, Burdak-Rothkamm S, Schlomm T, Petersen C, Rothkamm K, Mansour WY (2019) A functional ex vivo assay to detect PARP1-EJ repair and radiosensitization by PARP-inhibitor in prostate cancer. Int J Cancer, 144:1685-1696.
  Köcher S, Zech HB, Krug L, Gatzemeier F, Christiansen S, Meyer F, Rietow R, Struve N, Mansour WY, Kriegs M, Petersen C, Betz C, Rothkamm K, Rieckmann T. (2022) A Lack of Effectiveness in the ATM-Orchestrated DNA Damage Response Contributes to the DNA Repair Defect of HPV-Positive Head and Neck Cancer Cells. Front Oncol 12:765968.
  Kötter A, Cornils K, Borgmann K, Dahm-Daphi J, Petersen C, Dikomey E, Mansour WY (2014) Inhibition of PARP1-dependent end-joining contributes to Olaparib-mediated radiosensitization in tumor cells. Mol Oncol 8(8):1616-25.
  Kriegs M, Clauditz TS, Hoffer K, Bartels J, Buhs S, Gerull H, Zech HB, Bußmann L, Struve N, Rieckmann T, Petersen C, Betz CS, Rothkamm K, Nollau P, Münscher A (2019) Analyzing expression and phosphorylation of the EGF receptor in HNSCC. Sci Rep 9:13564.
  Kriegs M, Kasten-Pisula U, Riepen B, Hoffer K, Struve N, Myllynen L, Braig F, Binder M, Rieckmann T, Grénman R, Petersen C, Dikomey E, Rothkamm K (2016) Radiosensitization of HNSCC cells by EGFR inhibition depends on the induction of cell cycle arrests. Oncotarget 7, 45122-45133.
  Mansour WY, Tennstedt P, Volquardsen J, Oing C, Kluth M, Hube C, Borgmann K, Simon R, Petersen C, Dikomey E, Rothkamm K (2018) Loss of PTEN-assisted G2/M checkpoint impedes homologous recombination repair and enhances radio-curability and PARP inhibitor treatment response in prostate cancer. Sci Rep, 8, 3947.
  Meyer F, Becker S, Classen S, Parplys AC, Mansour WY, Riepen B, Timm S, Ruebe C, Jasin M, Wikman H, Petersen C, Rothkamm K, Borgmann K (2020) Prevention of DNA Replication Stress by CHK1 Leads to Chemoresistance Despite a DNA Repair Defect in Homologous Recombination in Breast Cancer. Cells 9, 238.
  Meyer F, Engel AM, Krause AK, Wagner T, Poole L, Dubrovska A, Peitzsch C, Rothkamm K, Petersen C, Borgmann K. (2022) Efficient DNA Repair Mitigates Replication Stress Resulting in Less Immunogenic Cytosolic DNA in Radioresistant Breast Cancer Stem Cells. Front Immunol 13:765284.
  Möckelmann N, Rieckmann T, Busch CJ, Becker B, Gleißner L, Hoffer K, Omniczynski M, Steinmeister L, Laban S, Grénman R, Petersen C, Rothkamm K, Dikomey E, Knecht R, Kriegs M (2016) Effect of sorafenib on cisplatin-based chemoradiation in head and neck cancer cells. Oncotarget 7(17): 23542–23551.
  Mognato M, Burdak-Rothkamm S, Rothkamm K. (2021) Interplay between DNA replication stress, chromatin dynamics and DNA-damage response for the maintenance of genome stability. Mutat Res Reviews 787:108346.
  Myllynen L, Kwiatkowski M, Gleißner L, Riepen B, Hoffer K, Wurlitzer M, Petersen C, Dikomey E, Rothkamm K, Schlüter H, Kriegs M (2015) Quantitative proteomics unveiled: Regulation of DNA double strand break repair by EGFR involves PARP1. Radiother Oncol 116(3):423-30.
  Nathansen J, Lukiyanchuk V, Hein L, Stolte MI, Borgmann K, Löck S, Kurth I, Baumann M, Krause M, Linge A, Dubrovska A. (2021) Oct4 confers stemness and radioresistance to head and neck squamous cell carcinoma by regulating the homologous recombination factors PSMC3IP and RAD54L. Oncogene 40:4214-4228.
  Nuta O, Rothkamm K, Darroudi F (2020) The role of telomerase in radiation-induced genomic instability. Radiat Res, 193, 451-459.
  Oetting A, Christiansen S, Gatzemeier F, Köcher S, Bußmann L, Böttcher A, Stölzel K, Hoffmann AS, Struve N, Kriegs M, Petersen C, Betz C, Rothkamm K, Zech HB, Rieckmann T (2023). Impaired DNA double-strand break repair and effective radiosensitization of HPV-negative HNSCC cell lines through combined inhibition of PARP and Wee1. Clin Transl Radiat Oncol 41:100630.
  Oing C, Tennstedt P, Simon R, Volquardsen J, Borgmann K, Bokemeyer C, Petersen C, Dikomey E, Rothkamm K, Mansour WY (2018) BCL2-overexpressing prostate cancer cells rely on PARP1-dependent end-joining and are sensitive to combined PARP inhibitor and radiation therapy. Cancer Lett, 423, 60-70.
  Rieckhoff J, Meyer F, Classen S, Zielinski A, Riepen B, Wikman H, Petersen C, Borgmann K, Parplys AC (2020) Exploiting chromosomal instability of PTEN deficient triple negative breast cancer cell lines for the sensitization against PARP1 inhibition in a replication dependent manner: Cancers, 12, 2809.
  Riedel M, Struve N, Müller-Goebel J, Köcher S, Petersen C, Dikomey E, Rothkamm K, Kriegs M (2016) Sorafenib inhibits cell growth but fails to enhance radio- and chemosensitivity of glioblastoma cell lines. Oncotarget 7, 61988-61995.
  Schmutzler O, Graf S, Behm N, Mansour WY, Blumendorf F, Staufer T, Körnig C, Salah D, Kang Y, Peters JN, Liu Y, Feliu N, Parak WJ, Burkhardt A, Gargioni E, Gennis S, Chandralingam S, Höeg F, Maison W, Rothkamm K, Schulz F, Grüner F. (2021) X-ray Fluorescence Uptake Measurement of Functionalized Gold Nanoparticles in Tumor Cell Microsamples. Int J Mol Sci 22:3691.
  Schulz A, Meyer F, Dubrovska A, Borgmann K (2019) Cancer Stem Cells and Radioresistance: DNA Repair and Beyond. Cancers 11:E862.
  Struve N, Binder ZA, Stead LF, Brend T, Bagley SJ, Faulkner C, Ott L, Müller-Goebel J, Weik AS, Hoffer K, Krug L, Rieckmann T, Bußmann L, Henze M, Morrissette JJD, Kurian KM, Schüller U, Petersen C, Rothkamm K, O Rourke DM, Short SC, Kriegs M (2020) EGFRvIII upregulates DNA mismatch repair resulting in increased temozolomide sensitivity of MGMT promoter methylated glioblastoma. Oncogene 39:3041-3055.
  Struve N, Hoffer K, Weik AS, Riepen B, Krug L, Cetin MH, Burmester J, Ott L, Liebing J, Gatzemeier F, Müller-Goebel J, Gerbach M, Bußmann L, Parplys AC, Unger K, Mansour WY, Schüller U, Rieckmann T, Petersen C, Rothkamm K, Short SC, Kriegs M. (2021) Increased replication stress and R-loop accumulation in EGFRvIII-expressing glioblastoma present new therapeutic opportunities. Neurooncol Adv 4:vdab180.
  Vu AT, Akingunsade L, Hoffer K, Petersen C, Betz CS, Rothkamm K, Rieckmann T, Bussmann L, Kriegs M (2023). Src family kinase (SFK) targeting in head and neck tumor cells using SU6656, PP2 and dasatinib. Head Neck 45:147-155.
  Wurlitzer M, Möckelmann N, Kriegs M, Vens M, Omidi M, Hoffer K, Bargen CV, Möller-Koop C, Witt M, Droste C, Oetting A, Petersen H, Busch CJ, Münscher A, Schlüter H, Clauditz TS, Rieckmann T (2020) Mass Spectrometric Comparison of HPV-Positive and HPV-Negative Oropharyngeal Cancer. Cancers (Basel) 12, E1531.
  Zech HB, Berger J, Mansour WY, Nordquist L, von Bargen CM, Bußmann L, Oetting A, Christiansen S, Möckelmann N, Böttcher A, Busch CJ, Petersen C, Betz C, Rothkamm K, Kriegs M, Köcher S, Rieckmann T. (2022) Patient derived ex vivo tissue slice cultures demonstrate a profound DNA double-strand break repair defect in HPV-positive oropharyngeal head and neck cancer. Radiother Oncol 168:138-146.