Inhibition of ribonucleotide reductase by natural compounds: A key anti-tumor mechanism in cancer cells

Der fortwährende Bedarf an neuen Krebstherapien wie auch der Einsatz präventiver Arzneimitteln zur Unterbindung von Krankheitsausbrüchen führt gegenwärtig zu intensiver Forschung auf diesem Sachgebiet. Die Ribonukleotidreduktase (RR) ist ein Enzym welches für die Umwandlung von Ribonukleotiden in Desoxyribonukleotide verantwortlich ist. Auf Grund dieser Eigenschaft nimmt es eine überaus wichtige Position in der de novo DNA Synthese ein, welche während der S-Phase des Zellzyklus stattfindet. Da die RR in malignen Krebszellen häufig überexprimiert ist, stellt sie ein sehr geeignetes Angriffsziel für chemotherapeutische Behandlungen dar. Im Zuge dieser Masterarbeit wurden zwei polyphenolische Verbindungen heran gezogen, um sie auf ihre Fähigkeit als antikanzerogene Substanzen zu untersuchen. Ellagsäure (ES) ist eine Polyphenolsäure, die in vielerlei Nahrungsmitteln, insbesondere in Obst- und Gemüsesorten wie Beeren, Weintrauben und Nüssen vorkommt. Epigallocatechingallat (EGCG) gehört zur Gruppe der Flavanole und stellt die bedeutendste Komponente des Grüntees dar. Die biologischen Effekte dieser Naturstoffe wurden in humanen HL-60 Promyelozytenleukämiezellen erforscht. Beide natürlich vorkommenden Polyphenole gelten als vielversprechende Stoffe für die Krebsforschung, da ihnen auch eine chemopräventive Wirkung zugewiesen wird. Tatsächlich bewirkten beide Substanzen eine Hemmung der Aktivität der RR, was mit einem verminderten Einbau von 14C-markierten Cytidin in die DNA der Tumorzellen einherging. Des Weiteren kam es in HL-60 Zellen zu deutlichen Veränderungen hinsichtlich der Konzentrationen der dNTP Pools. Auch konnte nachgewiesen werden, dass beide Verbindungen über eine starke antioxidative und somit radikalfangende Wirkung verfügten. ES verursachte eine vorübergehende Akkumulation von Krebszellen in der S- Phase des Zellzyklus, welche jedoch im Stande waren, sich nach geraumer Zeit wieder zu erholen. Dies legt den Schluss nahe, dass ES eher als Inhibitor des Zellzyklus fungiert und nicht als Auslöser des Zelltodes anzusehen ist. Untersuchungen mit EGCG ergaben hingegen, dass Leukämiezellen in der G0-G1 Phase arretiert wurden und anschließend in Apoptose gingen. Ferner ging aus den durchgeführten Experimenten hervor, dass ES in Kombination mit Cytarabin (Ara-C), welches als First-Line Zytostatikum breite Anwendung findet, einen synergistischen antineoplastischen Effekt erzielen konnte. Diese Wirkung konnte jedoch bei gleichzeitiger Gabe von EGCG und Ara- C nicht beobachtet werden. Hinsichtlich dieser Resultate repräsentieren ES und EGCG potentielle Kandidaten für weiter gehende und umfassendere Forschungsstudien.The urgent need for new cancer therapies and preventive agents against the outbreak of malignant diseases is currently displayed by intensive research in this field. Ribonucleotide reductase (RR) is an enzyme responsible for the conversation of ribonucleotides into deoxyribonucleotides. Hence, it possesses an outstandingly important role in the de novo DNA synthesis that occurs during S-phase of the cell cycle. Overexpression of RR in malignant cancer cells makes it a suitable target for chemotherapeutic treatments. In this master thesis, two polyphenolic compounds were studied on their capability of acting as anticancer substances. Ellagic acid (EA) is a polyphenolic acid and occurs in a wide range of natural foods like berries, grapes and nuts. Epigallocatechin gallate (EGCG) belongs to the group of flavanols and is the most widespread component in green tea. Their biological effects were investigated in human HL-60 promyelocytic leukemia cell line. Both natural occurring polyphenols were supposed to exert auspicious properties as chemopreventive agents. In fact, both compounds were discovered to constitute potent inhibitors of RR activity, which was reflected by a decreased incorporation of 14C-labeled cytidine into nascent DNA of tumor cells. In addition, HL-60 leukemia cells revealed alterations in dNTP pool sizes and both substances also hold radical scavenging potential. EA caused cancer cells to transiently accumulate in S-phase of the cell cycle but proximately were able to recover, leading to the assumption that EA acts as an inhibitor of cell cycle progression rather than as an inducer of cell death. Investigations on EGCG illustrated that leukemic cells were arrested in G0-G1 phase and most of them subsequently underwent apoptosis. Further, EA in combination with a well established first-line chemotherapeutic agent Cytarabine (Ara-C) exhibited a synergistic antineoplastic impact, whereas that effect could not be observed when EGCG was combined with Ara-C. Due to these findings, EA and particularly EGCG portray potential candidates for ongoing and comprehensive research studies