Dissertation / PhD Thesis

GSI-2026-00582

http://join2-wiki.gsi.de/foswiki/pub/Main/Artwork/join2_logo100x88.png Beyond the track: The processing of double strand breaks after iron-ion irradiation and the role of base excision repair

Schwan, L. (Corresponding author)

2026
Universitäts- und Landesbibliothek Darmstadt Darmstadt

Please use a persistent id in citations: urn:nbn:de:tuda-tuda-153354  doi:10.26083/TUDA-7921

Abstract: Clustered DNA damage as one of the hallmarks of ionizing radiation, poses a great risk on the genomic integrity. High frequencies of clustered DNA damage induced by ionizing radiation increase the overall cancer risk. The exposure to high linear energy transfer (LET) charged particles, like heavy ions, leads to the induction of increasingly clustered DNA lesions compared to low-LET photon irradiation. Although environmental heavy-ion exposure poses no great risk to humans on Earth due to the Earth’s atmosphere and magnetic shielding, it represents a significant threat on the human health during deep space missions. To study the (health) effects of the biologically highly effective heavy-ion exposure as part of the galactic cosmic ray (GCR) spectrum, irradiation experiments are commonly performed with accelerated iron (Fe) ions. While heavy ions pass through the cellular nucleus, they induce highly clustered DNA-lesions along their pathway. Due to the ion’s interaction with matter, delta-electrons emerge and depending on the ion’s initial energy, they can deposit energy distant to the ion track (off-track), even in adjacent cells. Besides single- and double strand breaks (SSBs, DSBs), ionizing radiation leads to a high abundance of base lesions. Base lesions will be immediately processed by the well conserved base excision repair (BER) pathway. During the base removal, endonuclease activity at the damage site leads to the induction of a SSB as an intermediate step. In this work it was shown that by using inhibitors against two BER-related factors, 8-OxoG DNA glycosylase 1 (OGG1) and AP endonuclease 1 (APE1), BER processes induced by administering the oxidizing agent KBrO3 lead to the emergence of additional DSBs in non-inhibited human cells. The higher DSB load observed in non-inhibited cells after heavy-ion irradiation suggests that BER processes increase damage clustering within the ion's narrow track area. To repair most of the highly clustered track damage, DNA-end resection needs to be performed first, while less complex photon-irradiation induced breaks usually do not depend on resection and are ligated via non-homologous end-joining (NHEJ) predominately. Although the complexity of delta-electron induced DSBs outside of the track region can be considered almost identical to DSBs induced by low-LET photon irradiation, increased resection with subsequent processing via homologous recombination (HR) was observed at off-track DSBs in a mixed population of G1/G2 cells with concurrent ion tracks. Contrary to the finding of an extended use of resection at off-track DSBs, repair kinetics assessed in mainly G1-phase cells are surprisingly faster for off-track DSBs compared to DSBs induced by low-LET X-rays. These findings underline the importance of the biological processing of less-serious base lesions into DSBs, which threaten the genomic integrity especially due to increased damage clustering in heavy-ion tracks. The simultaneous occurrence of strongly clustered in-track DNA-damage and less-clustered off-track DSBs seems to further affect the processing of the latter. Although further work is necessary, the results obtained from this project could be of interest for the radiobiological modeling of IR induced DNA damage. Understanding the effects of high-LET irradiation on the molecular level and its consequences on the cell fate regarding for instance cancer induction, is indispensable for the risk assessment of manned future deep space missions. Ground-based radiobiological experiments with heavy ions are of great importance to study the effects of GCR exposure on the human health and this work contributes to the understanding of the DNA-damage response to high-LET heavy-ion irradiation.Gebündelte DNS-Schäden sind eines der Hauptmerkmale ionisierender Strahlung und stellen ein hohes Risiko für die Gesundheit dar. Vor allem können sie zu der Entstehung von Krebs beitragen. Dabei wird zwischen hoch- und niedrig-LET (Linearer Energietransfer) Strahlung unterschieden, wobei hoch-LET Strahlung, z.B. beschleunigte Schwerionen, zunehmend komplexere Schäden verursacht als niedrig-LET Strahlung mit Photonen. Aufgrund des Erdmagnetfelds und der Atmosphäre ist die Gefahr der Schwerionen-Exposition für auf der Erde lebende Menschen zu vernachlässigen. Sobald diese schützenden Faktoren auf Weltraumreisen jedoch überwunden werden, sollten die Risiken, die mit solch einer Strahlenbelastung verbunden sind, bestens eingeschätzt werden können. Die radiobiologische Wirkung von kosmischer Strahlung wird dabei oft mit Eisenionen an Beschleuniger-Anlagen simuliert. Während ein Schwerion den Zellkern passiert, entstehen durch die Wechselwirkung des Ions mit den biologischen Molekülen der Zelle dicht gebündelte DNS-Schäden verschiedenster Komplexität entlang der Ionen-Trajektorie. Durch die Ionisation werden auch sekundäre Elektronen, aufgrund ihrer hohen Energie als delta-Elektronen bezeichnet, freigesetzt. Diese verursachen wiederum Schäden außerhalb der Ionenspur, und je nach Energie erreichen sie selbst auch Nachbarzellen. Zu den Hauptschäden gehören neben DNS-Doppelstrangbrüchen (DSB) und Einzelstrangbrüchen auch Basenschäden. Letztere werden über die sogenannte Basenexzisionsreparatur (BER) repariert, wobei nach Entfernen der geschädigten Base ein Einzelstrangbruch als kontrollierter Zwischenschritt verursacht wird. In dieser Arbeit wird demnach mithilfe des Einsatzes von Inhibitoren gegen zwei der in BER involvierten Faktoren gezeigt, dass DSB durch die gleichzeitige Tätigkeit von mehreren BER-Prozessen an benachbarten Basenschäden nach der Gabe von Kaliumbromat (KBrO3) entstehen. Es kann angenommen werden, dass diese zusätzlichen DSB die Schadenskomplexität nach Schwerionenbestrahlung in der Ionenspur noch weiter erhöhen. Komplexe Schäden werden sehr häufig mithilfe von Resektionsprozessen an den Bruchenden repariert, wohingegen weniger komplexe Schäden, wie solche die durch Photonen oder Elektronen verursacht werden, meistens über nicht-homologe Endverknüpfung repariert werden. Obwohl die Schadenskomplexität von delta-Elektronen verursachten DSB denen der Photonen-induzierten DSB ähnelt, wurde vermehrt Resektion sowie auch homologe Rekombination an DSB außerhalb der Ionenspur in G1/G2-Zellen beobachtet. Im Gegensatz dazu zeigen Fibroblasten, fast ausschließlich in G1, überraschenderweise eine leicht schnellere Reparatur der gleichen Schäden im Vergleich zu DSB nach Röntgenbestrahlung. Diese Ergebnisse unterstreichen die Wichtigkeit, die biologische Strahlenantwort nach Schwerionen-Exposition zu untersuchen. Nicht nur werden relativ simple Basenschäden in potentiell kanzerogene DSB umgewandelt, sondern auch die Komplexität der Spurschäden durch zusätzlich entstehende DSB erhöht. Das gleichzeitige Vorhandensein von großer Schadenskomplexität und weniger komplexen Schäden außerhalb der Spur scheint die Reparatur von letzteren in Richtung Resektionsabhängigkeit zu beeinflussen. Obwohl noch weitere Experimente notwendig sind, um die hier gemachten Punkte zu unterstützen, können die Ergebnisse für die radiobiologische Modellierung der Schadensinduktion und -reparatur nützlich sein. Die Wirkung von ionisierender Strahlung auf Zellen auf molekularer Ebene ist vor allem wichtig für die Risikoabschätzung bemannter Weltraummissionen. Radiobiologische Experimente an Beschleuniger-Anlagen auf der Erde unterstützen somit die Erkenntnisgewinnung und diese Arbeit bildet einen kleinen Teil im Bereich der DNS-Reparatur nach hoch-LET Eisenionen-Bestrahlung ab.

Keyword(s): 570

Note: Grant: European Space Agency, grant AO-2019-IBER_005; Jenseits der Spur: Die Reparatur von Doppelstrangbrüchen nach Eisenionen-Bestrahlung und die Rolle der Basenexzisionsreparatur; Datum der mündlichen Prüfung 10.09.2025
Note: Dissertation, Technische Universität Darmstadt, 2026

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Contributing Institute(s):

1. Biophysik (BIO)

Research Program(s):

1. 633 - Life Sciences – Building Blocks of Life: Structure and Function (POF4-633) (POF4-633)
2. SUC-GSI-Darmstadt - Strategic university cooperation GSI-TU Darmstadt (SUC-GSI-DA) (SUC-GSI-DA)
3. 50WB2014 - Molekulare Grundlagen der Krebsentstehung durch kosmische Strahlung (BMWK-50WB2014) (BMWK-50WB2014)
4. FAIR Phase-0 - FAIR Phase-0 Research Program (GSI-FAIR-Phase-0) (GSI-FAIR-Phase-0)

Experiment(s):

1. SESA: ESA Experiments at SIS (POF4-633; HTA)

Appears in the scientific report 2026

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