The cellular response to DNA damage includes a number of mechanisms to detect and repair various types of DNA damage in order to preserve the integrity and stability of the genome. One reaction involved is the poly(ADP-ribosyl)ation (PARylation) of proteins, a modification performed by nuclear poly(ADP-ribose)polymerase-1 or -2 (PARP-1 and PARP-2) immediately after DNA damage infliction. PARPs covalently attach ADP-ribose units in a sequential fashion to target proteins including themselves, synthesizing a negatively charged polymer by using nicotinamide adenine dinucleotide (NAD⁺) as substrate. According to the level of DNA damage and intracellular NAD+ status, the most active enzyme PARP-1 and its product PAR mediate the recruitment of DNA repair factors to sites of lesions, facilitate DNA repair and thus maintain genomic integrity under conditions of moderate stress. In this scenario a tolerable amount of total cellular NAD+ is used for polymer synthesis. In contrast, the critical expenditure of NAD⁺ due to massive activation of PARP-1 under severe stress conditions can lead to cell death thus influencing deleterious or health-enhancing processes, as is apparent in inflammatory diseases or neurodegenerative disorders.

One important parameter determining the cellular response to stresses is the level of available NAD⁺, which is crucial for adequate PAR synthesis and other NAD⁺ dependent processes, as the energy metabolism or sirtuin functions. Sirtuins can act as deacetylases in terms of response to cellular damage and to metabolic imbalances thus regulating fundamental processes as well.

In order to analyse the biological consequences of elevated NAD⁺ levels in respect to PARP-1 mediated reactions and to address the question, if modulated NAD⁺ and/or PAR levels contribute to physiological or pathophysiological outcomes, distinct end points were investigated.

Human blood peripheral mononuclear cells (NAD⁺) were ex vivo supplemented with the NAD⁺ precursor nicotinic aid (NA), which significantly raised intracellular nucleotide pools and led to an intensified PAR formation in response to genotoxic stimuli.

It was observed that NA supplementation reduces cell death after genotoxic stress and shifts the residual fraction from necrosis to apoptosis, which is less harmful in regard to tissue integrity. To investigate, if this is a result of improved DNA repair, strand break formation and subsequent repair within the first 40 minutes was accessed. Interestingly, we observed that strand break rejoining is tightly regulated but was positively affected in NA supplemented cells under massive DNA damaging conditions and to a minor extent also under mild genotoxic stress. Furthermore, enhanced NAD⁺ levels seem to be beneficial in context of genomic integrity, as supplemented cells displayed reduced frequencies of micronucleus formation. In addition to the impact on already mentioned cellular functions, it was monitored if higher NAD⁺ levels favour also sirtuin activities. The SIRT-1 target p53 is acetylated in response to DNA damage. Preliminary results give evidence that the DNA damaged induced p53 acetylation is reduced in nicotinic acid supplemented cells, potentially due to increased deacetylation rate.

In summary, increased NAD⁺ levels by NA supplementation can be beneficial for a cellular system, most notably in context of massive damage, but also in situations of minor damage. So far no adverse effects were observed for the investigated parameters. Based on the current results, supplying nicotinic acid seems to be a valuable approach to augment NAD⁺ levels especially in the case of acute damage or to correct suboptimal NAD⁺ levels to prevent negative consequences, often linked with excessive or elevated PARP-1 activation.

Die zelluläre Antwort infolge von Schädigung beinhaltet etliche Mechanismen, um DNA Schäden unterschiedlichster Art zu detektieren und zu reparieren, die dazu dienen die Integrität und Stabilität des Genoms zu erhalten. Eine der beteiligten Reaktionen ist die Poly(ADP-ribosyI)ierung (PARylierung), eine Modifikation die unmittelbar nach der Schadensentstehung von Poly(ADP-ribose)polymerasen im Zellkern ausgeführt wird. PARP-1 sowie PARP-2 binden unter der Verwendung von dem Substrat Nikotinamidadenindinukleotid (NAD⁺) schrittweise ADP-Ribose Einheiten kovalent an Zielproteine, einschließlich sich selbst, wobei ein negativ geladenes Polymer entsteht. Entsprechend des Levels des DNA Schadens und des intrazellulären NAD⁺ Status vermittelt hauptsächlich PARP-1 und das erzeugte PAR Produkt die Rekrutierung von Reparaturfaktoren zur Schadensstelle, begünstigt dadurch die Reparatur der DNA und folglich den Erhalt der genomischen Stabilität unter moderaten Stressbedingungen. In dieser Situation wird ein zu tolerierender Anteil von NAD⁺ zur Polymersynthese verwendet. Im Gegensatz dazu kann der bedenklich hohe Verbrauch an NAD⁺ durch eine starke PARP-1 Aktivierung bei massiver Schädigung zum Zelltod führen, wodurch gesundheitsfördernde oder schädigende Prozesse beeinflusst werden, was erkennbar bei entzündlichen oder neurodegenerativen Erkrankungen ist.

Ein wichtiger Parameter, der die zelluläre Antwort beeinflusst, ist der verfügbare intrazelluläre NAD⁺ Gehalt, der entscheidend für eine ausreichende PAR Synthese und weitere NAD+ abhängige Prozesse, wie der Energiehaushalt oder Sirtuin-abhängige Reaktionen ist. Sirtuine agieren als Deacetylasen bei Zellschäden und metabolischem Ungleichwicht, wodurch fundamentale Prozesse reguliert werden.

Um die biologischen Auswirkungen eines gesteigerten NAD⁺ Levels in Bezug auf PARP-1 vermittelte Reaktionen zu untersuchen und die Frage zu beantworten, ob veränderte NAD⁺, beziehungsweise PAR Levels, physiologische oder pathophysiologische Folgen haben, wurden bestimmte Endpunkte betrachtet.

Humane periphere mononukleäre Blutzellen (PBMC) wurden ex vivo mit dem NAD⁺ Vorläufer Nikotinsäure (NA) behandelt, wodurch der intrazellulären Nukleotidpool signifikant erhöht wurde und eine gesteigerte Synthese von PAR infolge genotoxischer Stimulierung ermöglicht wurde.

Es wurde beobachtet, dass die Supplementaton mit NA den Zelltod nach genotoxischen Stress vermindert und der Anteil des nekrotischen Zelltods Richtung Apoptose verschoben wird. Dies ist in Bezug auf die Gewebeintegrität weniger schädlich. Um zu untersuchen, ob der verminderte Zelltod mit einer verbesserten DNA Reparatur einhergeht, wurde die Bildung von Strangbrüchen und deren Reparatur innerhalb der ersten 40 Minuten verfolgt. Interessanterweise zeigte sich, dass die Reparatur zwar streng reguliert ist, aber dennoch eine positive Auswirkung der NA Supplementation bei extremer, und zu einem Teil auch bei geringerer Schädigung, erkennbar ist. Darüber hinaus scheint ein erhöhter NAD⁺ Level im Zusammenhang mit genomischer Integrität von Vorteil zu sein, da supplementierte Zellen weniger Mikrokerne aufwiesen.

Neben den Auswirkungen auf die eben genannten zellulären Funktionen, wurde untersucht ob ein höherer NAD⁺ Level die Aktivität von Sirtuinen ebenfalls begünstigt. Nach Schädigung wird das SIRT-1 Zielprotein p53 acetyliert. Vorläufige Ergebnisse zeigten, dass die schadensinduzierte Acetylierung von p53 in NA supplementierten Zellen reduziert ist, das möglicherweise durch eine erhöhte Deacetylationrate bedingt sein kann.

Zusammenfassend zeigte sich, dass ein erhöhter NAD⁺ Level durch Supplementation mit NA einem zellulären System von Vorteil sein kann, vor allem in Zusammenhang mit massiver und mittlerer Schadensinduktion. In den bisherigen Untersuchungen wurden keine negativen Einflüsse auf die beobachteten Parameter verzeichnet. Aufgrund der gegenwärtigen Ergebnisse könnte die Zugabe von Nikotinsäure ein sinnvoller Ansatz sein, um den Anteil an vorhandenem NAD⁺ bei akuter Schadensinduktion zu stärken, um vor negativen Konsequenzen einer übermäßigen oder erhöhten PARP-1 Aktivierung zu schützen.