DNA-herstelstoornissen zijn zeldzame genetische aandoeningen waarbij er een verminderd vermogen is om DNA-schade te herstellen. DNA-herstelstoornissen vertonen een breed spectrum van afwijkingen van het zenuwstelsel, variërend van microcefalie (kleine hersenen), hersentumoren en vroegtijdige degeneratie. De symptomen zijn sterk afhankelijk van welke DNA-herstelroute is aangedaan. Afwijkingen in het zenuwstelsel treden op bij patiënten met defecten in de nucleotide excisie reparatie (NER), een belangrijke DNA-herstelroute die bekend staat om zijn essentiële rol bij het herstel van DNA-laesies veroorzaakt door ultraviolet (UV) licht. NER-deficiëntie-stoornissen variëren van UV-gevoeligheidsstoornissen tot de neurologische en versnelde verouderingstoestanden trichothiodystrofie (TTD), Cockayne-syndroom (CS) en cerebro-oculo-facio-skeletaal syndroom (COFS).
De NER-route verwijdert omvangrijke helix-vervormende DNA-laesies door een 30-nucleotidenfragment uit te snijden die de laesie bevat, gevolgd door DNA-synthese en ligatie. De NER-route omvat meer dan 30 factoren en bestaat uit twee hoofdsubroutes, globale genoom NER (GG-NER) en transcriptiegekoppelde NER (TC-NER), die verschillen in de stap van schadeherkenning. De heterogeniteit van NER-deficiëntiesyndromen kan ten minste gedeeltelijk worden verklaard door de grote verscheidenheid aan NER-factoren en de aanwezigheid van twee subroutes. Verdere heterogeniteit in klinische symptomen kan het gevolg zijn van defecten in niet-NER-activiteiten van NER-eiwitten. Het preklinisch onderzoek van het ENCORE expertisecentrum richt zich op een beter begrip van de mechanismen die ten grondslag liggen aan afwijkingen van het zenuwstelsel bij NER-syndromen, in het bijzonder de neurodegeneratieve afwijkingen geassocieerd met Cockayne syndroom en Xeroderma Pigmentosa.
Preklinisch onderzoek in het Erasmus MC naar DNA-herstel wordt uitgevoerd op de afdeling Moleculaire Genetica (gericht op het mechanisme van DNA-herstel) en op de afdeling Neurowetenschappen (gericht op de impact van verstoord DNA-herstel op de hersenfunctie).
Beter begrip van DNA reparatie mechanismen.
Wij proberen het moleculaire mechanisme en de regulatie van het DNA-reparatie mechanisme Nucleotide Excision Repair (NER) beter te begrijpen en ook het belang van dit DNA-reparatie proces voor de gezondheid van mensen (bezoek ook www.vermeulenlab.com) in kaart te brengen. Dit belangrijke DNA-herstelmechanisme beschermt organismen tegen door DNA-schade veroorzaakte carcinogenese (ontstaan van kanker) en vroegtijdige veroudering. We gebruiken multidisciplinaire onderzoeksmethodes om het begrip van het moleculaire mechanisme te verbeteren, zoals (1) moleculaire genetische analyse, (2) biochemische en celbiologische technieken tot zelfs (3) onderzoek op het niveau van intacte organismen.
Dit onderzoek betreft ook een uitvoerige analyse van celkweken van patiënten met aangeboren defecten in DNA-herstelprocessen, afkomstig van clinici en onderzoekers van over de hele wereld. Deze service wordt momenteel gecoördineerd door Dr. Arjan F. Theil en omvat naast genetische analyse ook functionele DNA-herstelonderzoeken. Klik hier om voor meer informatie over deze service.
NER defecten leiden tot hersenafwijkingen.
Om een beter begrip te krijgen van de relatie tussen tekortkomingen in specifieke NER-factoren en afwijkingen van het zenuwstelsel, hebben we systematisch afwijkingen van het zenuwstelsel onderzocht in een reeks van NER-mutante muizen die op betrouwbare wijze het reparatiedefect en de UV-gevoeligheid van overeenkomstige NER-syndromen weergeven. De muizen ontwikkelen een reeks afwijkingen van het zenuwstelsel die gedeeltelijk de symptomen van menselijke syndromen reproduceren. TCR-deficiënte CSA en CSB muizen die deficiënt zijn in TC-NER ontwikkelen bijvoorbeeld subtiele afwijkingen in de witte stof, en vertegenwoordigen een potentieel muismodel voor het bestuderen van afwijkingen in de witte stof bij het Cockayne-syndroom. Muizen die deficiënt zijn voor de NER-nucleasen XPF / ERCC1 of XPG die zowel in GG-NER als TC-NER actief zijn, laten een versneld verouderingsfenotype met progressieve neurodegeneratieve veranderingen zien. Deze muizen modelleren ernstige vormen van het Cockayne-syndroom. Studies met globale mutanten worden aangevuld met neuron-specifieke muismodellen. Verfijnde neuropathologische en biochemische analyses zullen verdere inzichten verschaffen in de mechanismen die ten grondslag liggen aan de diversiteit van afwijkingen in NER-deficiëntiesyndromen.
Op weg naar behandelingen van NER-syndromen.
De XPF / ERCC1- en XPG-deficiënte muizen die ernstige progressieve degeneratieve fenotypes ontwikkelen, bleken efficiënte muismodellen te zijn voor het testen van therapeutische interventies. Een belangrijke bevinding tot nu toe is dat dieetbeperking een zeer gunstig effect heeft bij XPF / ERCC1- en XPG-muizen, waardoor hun levensduur wordt verlengd en neurologische gebreken worden verminderd (Vermeij et al., Nature, 2016). Deze resultaten geven aan dat voedingsinterventies gunstig kunnen zijn voor patiënten met NER-deficiëntiesyndromen. We gaan door met voedingskundige, farmacologische en genetische interventiestudies om de mechanismen te ontdekken die ten grondslag liggen aan het beschermende effect van dieetbeperkingen.
Baer S. et.al. (2021) Growth charts in Cockayne syndrome type 1 and type 2. Eur J Med Genet. 64(1):104105 Pubmed
Ribeiro-Silva C. et. al. (2020) Ubiquitin and TFIIH-stimulated DDB2 dissociation drives DNA damage handover in nucleotide excision repair. Nat. Commun. 11:4868 Pubmed
Ragamin A, et al. (2020) Human RAD50 deficiency: Confirmation of a distinctive phenotype. Am J Med Genet A. 1-9 Pubmed
Lans H. et. al. (2019) The DNA damage response to transcription stress. Nature Reviews Mol. Cell Biol. 20:766-784. Pubmed
Kuo M.E. & Theil A.F. et. al. (2019). Cysteinyl-tRNA Synthetase Mutations Cause a Multi-System, Recessive Disease That Includes Microcephaly, Developmental Delay, and Brittle Hair and Nails. Am J Hum Genet. pii: S0002-9297 Pubmed
Theil A.F. & Botta E. et. al. (2019) Bi-allelic TARS Mutations Are Associated with Brittle Hair Phenotype. Am J Hum Genet. 105:434-440 Pubmed
Menoni H & Wienholz F et. al. (2018) The transcription-coupled DNA repair-initiating protein CSB promotes XRCC1 recruitment to oxidative DNA damage. Nucleic Acids Res. Pubmed
Ribeiro-Silva C. et. al. (2018). DNA damage sensitivity of SWI/SNF-deficient cells depends on TFIIH subunit p62/GTF2H1. Nat. Commun. 9:4067 Pubmed
Sabatella M. et. al. (2018). Repair protein persistence at DNA lesions characterizes XPF defect with Cockayne syndrome features. Nucleic Acids Res. 12;46(18):9563-9577. Pubmed
Theil A.F. et. al. (2017). Trichothiodystrophy causative TFIIEβ mutation affects transcription in highly differentiated tissue. Hum Mol Genet. Dec 1;26(23):4689-4698. Pubmed
Vermeij W.P. et.al. (2016) Restricted diet delays accelerated ageing and genomic stress in DNA-repair-deficient mice. Nature. 537(7620), 427-31 Pubmed
Marteijn JA, Hoeijmakers JH, Vermeulen W (2015) Check, Check …Triple Check: Multi-Step DNA Lesion Identification by Nucleotide Excision Repair. Mol Cell 59:885-6 Pubmed
Tresini M. et al (2015). The core spliceosome as target and effector of non-canonical ATM signaling. Nature. 2;523(7558):53-8. Pubmed
Raj D.D. et.al. (2014) Priming of microglia in a DNA-repair deficient model of accelerated aging. Neurobiol. Aging. 35(9), 2147-60 Pubmed
Barnhoorn S, et.al. (2014) Cell-autonomous progeroid changes in conditional mouse models for repair endonuclease XPG deficiency. PLoS Genet. 10(10), e1004686 Pubmed
Jaarsma D, et.al. (2013) Cockayne syndrome pathogenesis: lessons from mouse models. Mech Ageing Dev. 134(5-6), 180-95 Pubmed
Jaarsma D, et.al. (2011) Age-related neuronal degeneration: complementary roles of nucleotide excision repair and transcription-coupled repair in preventing neuropathology. PLoS Genet. 7(12), e1002405 Pubmed
Borgesius N.Z. et.al. (2011) Accelerated age-related cognitive decline and neurodegeneration, caused by deficient DNA repair. J Neurosci. 31(35), 12543-53 Pubmed
De Waard M.C. et.al. (2010) Age-related motor neuron degeneration in DNA repair-deficient Ercc1 mice. Acta Neuropathol. 120(4), 461-75 Pubmed