The role of nuclear factor kappa B in the radiation-induced bystander response

Abstract

Radiation-induced bystander effects play a special role in the cellular response to ionizing radiation. Besides direct consequences of radiation exposure such as cell death, cell cycle arrest and deoxyribonucleic acid (DNA) repair, signaling pathways are activated that result in the secretion of different factors for intercellular communication (cytokines, radicals, damage markers and extracellular vesicles). These factors incite multiple effects in nearby non-irradiated target cells (bystander cells), among those are induction of DNA damage as well as further signal transduction. DNA damage in bystander cells can lead to cell death or activation of repair, similar to direct irradiation responses. Continuing activation of signaling pathways leads to further secretion of signaling factors thereby amplifying and promoting the damage signal originating from the irradiated cell. A key molecule in intra- and intercellular signal transduction is the transcription factor nuclear factor kappa B (NF-kappa B). Target genes of the transcription factor encode proteins that affect intracellular processes like repair and cell cycle progression as well as cytokines that are secreted for intercellular communication. In this work the role of NF-kappa B in the radiation-induced bystander response was investigated. To this end, embryonic fibroblasts from wildtype (wt) and NF-kappa B essential modulator (NEMO) knock-out (ko) mice were used. In these NEMO ko murine embryonic fibroblasts (MEF), the NF-kappa B response is dysfunctional. Direct X-ray exposure of MEF wt cells resulted in reduced survival, induction of premature senescence at high doses, cell cycle arrest in G2/M phase and DNA double strand breaks (DSB) that were partially repaired with time. Furthermore, X-irradiation of MEF wt cells led to nuclear translocation of the NF-kappa B subunit p65, indicating activation of NF-kappa B. MEF NEMO ko cells show a similarly reduced survival upon X-irradiation, a more sensitive response regarding senescence induction, cell cycle arrest in G2/M phase and DNA DSB induction compared to MEF wt. Bystander MEF cells were incubated with culture medium conditioned by irradiated cells. MEF wt bystander cells show NF-kappa B activation, a dose threshold-dependent reduction of cellular survival, induction of premature senescence and induction of DNA DSB, but no changes in cell cycle progression. MEF NEMO ko bystander cells show an increased survival fraction after treatment with conditioned medium and a more sensitive response regarding senescence induction, but no changes in cell cycle progression similar to MEF wt cells. The amount of DNA DSB in MEF NEMO ko bystander cells depends on incubation time and conditioning dose. The survival response of bystander cells has been found to depend on the NF-kappa B status of the recipient cells, indicating involvement of NF-kappa B in the amplification and transmission of the bystander signal.

Strahlen-induzierte Bystander Effekte spielen bei der zellulären Reaktion auf ionisierende Strahlung eine besondere Rolle. Neben den direkten Folgen von Strahlenexposition wie Zelltod, Zyklusarrest und Reparatur werden zusätzlich Signalwege aktiviert, an deren Ende verschiedene Faktoren für die interzelluläre Kommunikation ausgeschüttet werden (Zytokine, Radikale, Schadensmarker und extrazelluläre Vesikel). Diese Faktoren lösen in naheliegenden nicht-bestrahlten Zielzellen (Bystander Zellen) diverse Effekte aus, unter anderem DNA-Schäden und weitere Signaltransduktions-Prozesse. DNA-Schäden in Bystander Zellen können, ähnlich den direkten Strahlenfolgen, zu Zelltod oder Reparatur führen. Anhaltende Aktivierung von Signalwegen führt zu erhöhter Ausschüttung von Signalfaktoren. Dadurch kommt es zu einer Verstärkung und Weiterleitung des Schadenssignals, welches von der bestrahlten Zelle ausgeht. Ein Schlüsselmolekül in intra- und interzellulärer Signaltransduktion ist der Transkriptionsfaktor nuclear factor kappa B (NF-kappa B). Die Zielgene des Transkriptionsfaktors kodieren Proteine, welche intrazelluläre Vorgänge wie Reparatur und Zellzyklusverlauf beeinflussen, sowie Zytokine, die ausgeschüttet werden, um interzelluläre Kommunikation zu ermöglichen. In dieser Arbeit wurde die Rolle von NF-kappa B in der strahleninduzierten Bystander Antwort untersucht. Dazu wurden embryonale Fibroblasten von wildtyp (wt) und NF-kappa B essential modulator (NEMO) knock-out (ko) Mäusen verwendet. In diesen NEMO-ko murinen embryonalen Fibroblasten (MEF) ist die NF-kappa B-Antwort dysfunktional. Exposition mit Röntgenstrahlung bewirkte in MEF-wt-Zellen eine reduzierte Überlebensfähigkeit, sowie Induktion von früher Seneszenz bei hohen Dosen, Zellzyklusarrest in der G2/M Phase und DNA Doppelstrangbrüche (DSB), welche mit der Zeit teilweise repariert wurden. Des Weiteren führte Röntgenbestrahlung von MEF-wt-Zellen zur einer nukleären Translokation der NF-kappa B Untereinheit p65, was eine Aktivierung von NF-kappa B erkennen lässt. MEF-NEMO-ko-Zellen zeigten ein ähnlich reduziertes Überleben und eine sensitivere Reaktion bezüglich der Seneszenz-Induktion, des Zellzyklusarrestes und des DNA-DSB-Aufkommens verglichen mit MEF-wt-Zellen. Bystander-MEFZellen wurden mit Kulturmedium inkubiert, welches von bestrahlten Zellen konditioniert wurde. MEF-wt-Bystander-Zellen zeigten NF-kappa B Aktivierung, eine Dosis-Schwellenwert-abhängige Reduzierung des Überlebens, das Auftreten von früher Seneszenz und von DNA-DSB, allerdings keine Veränderung der Zellzyklusprogression. MEF-NEMO-ko-Bystander-Zellen wiesen eine erhöhte Überlebensfraktion auf, nachdem sie mit konditioniertem Medium behandelt wurden, sowie ein sensitiveres Seneszenz-Auftreten, jedoch – ähnlich den wt-Zellen – keine Veränderung der Zellzyklusprogression. Die Anzahl von DNA-DSB in MEF-NEMO-ko-Bystander-Zellen war abhängig von der Inkubationszeit und der Konditionierungsdosis. Die Überlebensantwort von Bystander-Zellen hing vom NF-kappa B Status der Empfängerzellen ab, was impliziert, dass NF-kappa B an der Verstärkung und Übertragung des Bystander-Signales beteiligt ist.