O6-Methylguanine-DNA-Methyltransferase methylation: prevalence and predictive value in head and neck squamous cell carcinoma

Introduction: Le gène O6-méthylguanine-ADN méthyltransferase (MGMT) code pour une enzyme spécifique réparatrice de l’ADN qui protège les cellules de la toxicité des agents alkylants. Ainsi, l’activité du MGMT est un mécanisme majeur de résistance aux agents alkylants. Il a été démontré qu’une diminution de l’expression du gène MGMT par une hyperméthylation du promoteur résulte en une amélioration de la survie chez les patients avec certains types de tumeurs qui sont traitées avec des agents chimiothérapeuthique alkylants. Objectifs: Déterminer la prévalence de la méthylation du gène MGMT chez des patients avec des cancers épidermoïdes localement avancés de la sphère ORL traités avec chimioradiothérapie et évaluer l’impact de cette méthylation sur la survie. Méthodes: Sur 428 patients consécutifs, traités avec chimioradiothérapie à notre institution et suivis pour un période médiane de 37 mois, 199 spécimens chirurgicaux paraffinés ont été récupérés. L’ADN était extrait et modifié par le traitement au bisulfite. Une réaction en chaîne de la polymérase, spécifique à la méthylation était entreprise pour évaluer l’état de méthylation du promoteur du gène du MGMT. Les résultats de laboratoire étaient corrélés avec la réponse clinique. L’analyse statistique était exécutée à l’aide du test de Fisher pour les données catégoriques et à l’aide des courbes de Kaplan-Meier pour les échecs au traitement. Résultats : Des 199 extraits d’ADN initiaux, 173 (87%) étaient modifiés au bisulfite avec succès. Des ces spécimens modifiés, 71 (41%) ont démontré une hyperméthylation du MGMT. Pour les cas de méthylation et nonméthylation du MGMT, les caractéristiques des patients n’étaient pas significativement différentes. Les taux de réponse étaient 71 et 73% (p=NS) respectivement. Le contrôle locorégional était respectivement 87 et 77% (p=0.26), la survie sans maladie était 80 et 60% (p=0.38), la survie sans métastase à distance était 92 et 78% (p=0.08) et la survie globale était 64 et 62% (p=0.99) à 3 ans. Conclusions : L’état de méthylation du MGMT est fortement prévalent (41%) et semble avoir un possible impact bénéfique sur la survie quand la chimioradiothérapie est administrée aux patients avec des stades avancés de cancers tête et cou.

Lack of the DNA repair protein O6-methylguanine-DNA methyltransferase in histologically normal brain adjacent to primary human brain tumors.

Exposure to exogenous alkylating agents, particularly N-nitroso compounds, has been associated with increased incidence of primary human brain tumors, while intrinsic risk factors are currently unknown. The DNA repair protein O6-methylguanine-DNA methyltransferase (MGMT) is a major defense against the carcinogenicity of N-nitroso compounds and other alkylators. We report here that in 55% (64/117) of cases, histologically normal brain tissue adjacent to primary human brain tumors lacked detectable MGMT activity [methyl excision repair-defective (Mer-) status]. The incidence of Mer- status in normal brain tissue from brain tumor patients was age-dependent, increasing from 21% in children 0.25-19 years of age to 75% in adults over 50. In contrast, Mer- status was found in 12% (5/43) of normal brain specimens from patients operated for conditions other than primary brain tumors and was not age-dependent. The 4.6-fold elevation in incidence of Mer- status in brain tumor patients is highly significant (chi2 = 24; p < or = 0.001). MGMT activity was independent of age in the lymphocytes of brain tumor patients and was present in lymphocytes from six of nine tumor patients whose normal brain specimen was Mer-. DNA polymerase beta, apurinic/apyrimidinic endonuclease, and lactate dehydrogenase activities were present in all specimens tested, including Mer- specimens from brain tumor patients. Our data are consistent with a model of carcinogenesis in human brain in which epigenetically regulated lack of MGMT is a predisposing factor and alkylation-related mutagenesis is a driving force.

Tumor-associated mutations inO6-methylguanine DNA-methyltransferase (MGMT) reduce DNA repair functionality

MGMT is the primary vehicle for cellular removal of alkyl lesions from the O-6 position of guanine and the O-4 position of thymine. While key to the maintenance of genomic integrity, MGMT also removes damage induced by alkylating chemotherapies, inhibiting the efficacy of cancer treatment. Germline variants of human MGMT are well-characterized, but somatic variants found in tumors were, prior to this work, uncharacterized. We found that MGMT G132R, from a human esophageal tumor, and MGMT G156C, from a human colorectal cancer cell line, are unable to rescue methyltransferase-deficient Escherichia coli as well as wild type (WT) human MGMT after treatment with a methylating agent. Using pre-steady state kinetics, we biochemically characterized these variants as having a reduced rate constant. G132R binds DNA containing an O6-methylguanine lesion half as tightly as WT MGMT, while G156C has a 40-fold decrease in binding affinity for the same damaged DNA versus WT. Mammalian cells expressing either G132R or G156C are more sensitive to methylating agents than mammalian cells expressing WT MGMT. G132R is slightly resistant to O6-benzylguanine, an inhibitor of MGMT in clinical trials, while G156C is almost completely resistant to this inhibitor. The impared functionality of expressed variants G132R and G156C suggests that the presence of somatic variants of MGMT in a tumor could impact chemotherapeutic outcomes.

Mutagenicity associated with O6-methylguanine-DNA damage and mechanism of nucleotide flipping by AGT during repair

Methylated guanine damage at O6 position (i.e. O6MG) is dangerous due to its mutagenic and carcinogenic character that often gives rise to G:C-A:T mutation. However, the reason for this mutagenicity is not known precisely and has been a matter of controversy. Further, although it is known that O6-alkylguanine-DNA alkyltransferase (AGT) repairs O6MG paired with cytosine in DNA, the complete mechanism of target recognition and repair is not known completely. All these aspects of DNA damage and repair have been addressed here by employing high level density functional theory in gas phase and aqueous medium. It is found that the actual cause of O6MG mediated mutation may arise due to the fact that DNA polymerases incorporate thymine opposite to O6MG, misreading the resulting O6MG:T complex as an A:T base pair due to their analogous binding energies and structural alignments. It is further revealed that AGT mediated nucleotide flipping occurs in two successive steps. The intercalation of the finger residue Arg 128 into the DNA double helix and its interaction with the O6MG: C base pair followed by rotation of the O6MG nucleotide are found to be crucial for the damage recognition and nucleotide flipping.

Glukose-konjugierte Hemmstoffe als Strategie der gezielten Hemmung des DNA-Reparaturproteins O 6 -Methylguanin-DNA-Methyltransferase in Tumorzellen und der Einfluss von ATP-binding cassette Transportern

Das DNA-Reparaturprotein O6-Methylguanin-DNA-Methyltransferase [MGMT] ist der Hauptresistenzfaktor gegenüber der zytotoxischen Wirkung von SN1-alkylierenden Zytostatika in der Tumortherapie. Die Verwendung der MGMT-Hemmstoffe O6-Benzylguanin [O6BG] und O6-(4-Bromothenyl)guanin [O6BTG] führte zu einer Sensibilisierung des Normalgewebes, was eine Dosis-Reduktion der Zytostatika erforderlich machte und die erhoffte Therapieverbesserung verhinderte. Aus diesem Grund ist eine Strategie der selektiven Hemmung des MGMT-Proteins (Targeting-Strategie) erforderlich, um die systemische Toxizität in der Kombinationsbehandlung zu reduzieren. In dieser Arbeit wurde die Anwendbarkeit der Glukose-Konjugation als Targeting-Strategie untersucht, da Tumorzellen einen erhöhten Glukoseverbrauch aufweisen und demzufolge Glukosetransporter überexprimieren. Die Glukose-Konjugate O6BG-Glu und O6BTG-Glu inhibierten MGMT in Tumorzellen und sensibilisierten die Zellen gegenüber den alkylierenden Agenzien Temozolomid [TMZ] und Lomustin [CCNU]. Des Weiteren inaktivierten die Glukose-Konjugate die MGMT-Aktivität im Tumor eines Xenograft-Mausmodells und reduzierten das Tumorwachstum nach einer TMZ-Behandlung im gleichen Ausmass wie die Inhibitoren O6BG und O6BTG. Trotzdem war auch mit den Glukose-Konjugaten keine Steigerung der Zytostatika-Dosis im Mausmodell möglich. Die Untersuchungen der Aufnahme von O6BG-Glu und O6BTG-Glu wiederlegten eine Involvierung der Glukosetransporter. Der Einsatz von spezifischen Glukosetransporter-Inhibitoren und Kompetitions-Experimenten führte zu keiner Verminderung der MGMT-Hemmung oder Aufnahme vom radioaktiven H3-O6BTG-Glu in die Zelle. Dies legt nahe, dass die Glukose-Konjugate über einen unspezifischen Mechanismus (aktiv) in die Zellen gelangen. Der Grund für eine mögliche unselektive Aufnahme könnte im hydrophoben Alkyllinker, der für die Konjugation des Glukosemoleküls verwendet wurde, begründet sein. Dies führt zur Generierung von amphipathischen Konjugaten, die eine initiale Bindung an die Plasmamembran aufweisen und eine Aufnahme über den Flip-Flop-Mechanismus (transbilayer transport) wahrscheinlich machen. Die amphipathische Molekülstruktur der Glukose-Konjugate führte zu einer Partikelbildung in wässrigen Lösungen, die eine Reduktion der Menge an aktiven Monomeren von O6BG-Glu und O6BTG-Glu bewirken, die zur Hemmung von MGMT zur Verfügung stehen. Der zweite Teil der Arbeit befasste sich mit der Rolle von ABC-Transportern hinsichtlich einer Targeting-Strategie von MGMT-Hemmstoffen. Obwohl eine hohe Expression dieser ABC-Transporter in Tumoren zur Resistenzentwicklung gegenüber Zytostatika führt, wurde ihr Einfluss auf MGMT-Hemmstoffe oder einer MGMT-Targeting-Strategie niemals untersucht. In dieser Arbeit wurde zum ersten Mal ein aktiver Efflux von MGMT-Hemmstoffen durch ABC-Transporter nachgewiesen. Die Inhibition von ABC-Transportern bewirkte eine schnellere Inaktivierung von MGMT durch die Glukose-Konjugate. Des Weiteren zeigten Kompetitions-Experimente mit den MGMT-Hemmstoffen eine verminderte Efflux-Rate von Fluoreszenzfarbstoffen, die spezifisch von ABC-Transportern exportiert werden. ABC-Transporter reduzieren die wirksame Konzentration des Hemmstoffes in der Zelle und beeinträchtigen somit die Effektivität der MGMT-Inhibition. Eine simultane Hemmung der ABC-Transporter P-glycoprotein (P-gp), multi resistance protein 1 (MRP1) and breast cancer resistance protein (BCRP) erhöhte die Effektivität der MGMT-Hemmstoffe (O6BG, O6BTG, O6BG-Glu, O6BTG-Glu) und verstärkte auf diese Weise die TMZ-induzierte Toxizität in Tumorzelllinien. Die Involvierung von ABC-Transportern in der intrazellulären Speicherung von MGMT-Hemmstoffen ist wahrscheinlich die Ursache für die beobachteten Unterschiede in der Sensibilisierung verschiedener Tumorzelllinien gegenüber Zytostatika durch das Glukose-Konjugat O6BG-Glu. Eine Strategie, den Einfluss von ABC-Transportern zu reduzieren und zukünftliche MGMT-Targeting-Strategien effizienter umzusetzen, ist die Verwendung von O6BTG als Ausgangssubstanz. Die höhere Inhibitionsfähigkeit der Bromthiophenmoleküle vermindert die erforderliche intrazelluläre Konzentration für eine vollständige MGMT-Hemmung und reduziert auf diese Weise den Einfluss von ABC-Transportern.

Quantitative analysis of O(6)-methylguanine DNA methyltransferase (MGMT) promoter methylation in patients with low-grade gliomas

Methylation of the MGMT promoter is supposed to be a predictive and prognostic factor in glioblastoma. Whether MGMT promoter methylation correlates with tumor response to temozolomide in low-grade gliomas is less clear. Therefore, we analyzed MGMT promoter methylation by a quantitative methylation-specific PCR in 22 patients with histologically verified low-grade gliomas (WHO grade II) who were treated with temozolomide (TMZ) for tumor progression. Objective tumor response, toxicity, and LOH of microsatellite markers on chromosomes 1p and 19q were analyzed. Histological classification revealed ten oligodendrogliomas, seven oligoastrocytomas, and five astrocytomas. All patients were treated with TMZ 200 mg/m2 on days 1-5 in a 4 week cycle. The median progression-free survival was 32 months. Combined LOH 1p and 19q was found in 14 patients; one patient had LOH 1p alone and one patient LOH 19q alone. The LOH status could not be determined in two patients and was normal in the remaining four. LOH 1p and/or 19q correlated with longer time to progression but not with radiological response to TMZ. MGMT promoter methylation was detectable in 20 patients by conventional PCR and quantitative analysis revealed the methylation status was between 12 and 100%. The volumetric response to chemotherapy analyzed by MRI and time to progression correlated with the level of MGMT promoter methylation. Therefore, our retrospective case series suggests that quantitative methylation-specific PCR of the MGMT promoter predicts radiological response to chemotherapy with TMZ in WHO grade II gliomas.

Increasing DNA repair methyltransferase levels via bone marrow stem cell transduction rescues mice from the toxic effects of 1,3-bis(2-chloroethyl)-1-nitrosourea, a chemotherapeutic alkylating agent.

The chloroethylnitrosourea (CNU) alkylating agents are commonly used for cancer chemotherapy, but their usefulness is limited by severe bone marrow toxicity that causes the cumulative depletion of all hematopoietic lineages (pancytopenia). Bone marrow CNU sensitivity is probably due to the inefficient repair of CNU-induced DNA damage; relative to other tissues, bone marrow cells express extremely low levels of the O6-methylguanine DNA methyltransferase (MGMT) protein that repairs cytotoxic O6-chloroethylguanine DNA lesions. Using a simplified recombinant retroviral vector expressing the human MGMT gene under control of the phosphoglycerate kinase promoter (PGK-MGMT) we increased the capacity of murine bone marrow-derived cells to repair CNU-induced DNA damage. Stable reconstitution of mouse bone marrow with genetically modified, MGMT-expressing hematopoietic stem cells conferred considerable resistance to the cytotoxic effects of 1,3-bis(2-chloroethyl)-1-nitrosourea (BCNU), a CNU commonly used for chemotherapy. Bone marrow harvested from mice transplanted with PGK-MGMT-transduced cells showed extensive in vitro BCNU resistance. Moreover, MGMT expression in mouse bone marrow conferred in vivo resistance to BCNU-induced pancytopenia and significantly reduced BCNU-induced mortality due to bone marrow hypoplasia. These data demonstrate that increased DNA alkylation repair in primitive hematopoietic stem cells confers multilineage protection from the myelosuppressive effects of BCNU and suggest a possible approach to protecting cancer patients from CNU chemotherapy-related toxicity.

Genome analysis of DNA repair genes in the alpha proteobacterium Caulobacter crescentus

Abstract Background The integrity of DNA molecules is fundamental for maintaining life. The DNA repair proteins protect organisms against genetic damage, by removal of DNA lesions or helping to tolerate them. DNA repair genes are best known from the gamma-proteobacterium Escherichia coli, which is the most understood bacterial model. However, genome sequencing raises questions regarding uniformity and ubiquity of these DNA repair genes and pathways, reinforcing the need for identifying genes and proteins, which may respond to DNA damage in other bacteria. Results In this study, we employed a bioinformatic approach, to analyse and describe the open reading frames potentially related to DNA repair from the genome of the alpha-proteobacterium Caulobacter crescentus. This was performed by comparison with known DNA repair related genes found in public databases. As expected, although C. crescentus and E. coli bacteria belong to separate phylogenetic groups, many of their DNA repair genes are very similar. However, some important DNA repair genes are absent in the C. crescentus genome and other interesting functionally related gene duplications are present, which do not occur in E. coli. These include DNA ligases, exonuclease III (xthA), endonuclease III (nth), O6-methylguanine-DNA methyltransferase (ada gene), photolyase-like genes, and uracil-DNA-glycosylases. On the other hand, the genes imuA and imuB, which are involved in DNA damage induced mutagenesis, have recently been described in C. crescentus, but are absent in E. coli. Particularly interesting are the potential atypical phylogeny of one of the photolyase genes in alpha-proteobacteria, indicating an origin by horizontal transfer, and the duplication of the Ada orthologs, which have diverse structural configurations, including one that is still unique for C. crescentus. Conclusion The absence and the presence of certain genes are discussed and predictions are made considering the particular aspects of the C. crescentus among other known DNA repair pathways. The observed differences enlarge what is known for DNA repair in the Bacterial world, and provide a useful framework for further experimental studies in this organism.

DNA-Doppelstrangbrüche als zentrales Ereignis alkylierungsinduzierter Zytotoxizität

DNA-Doppelstrangbrüche als zentrales Ereignis alkylierungsinduzierter Zytotoxizität Die vorliegende Arbeit befaßt sich mit der Entstehung von DNA-Doppelstrangbrüchen durch gentoxische Agenzien sowie den zytotoxischen Auswirkungen, die DNA-Doppelstrangbrüche für die Säuger-Zelle haben. Im ersten Teil der Arbeit wurden die molekularen Mechanismen untersucht, die am O6-Methylguanin (O6-MeG)-DNA-Schaden, hervorgerufen durch alkylierende Agenzien, ablaufen. Dabei konnte gezeigt werden, das O6-Methylguanin DNA-Methyltransferase (MGMT) O6-MeG/C und O6-MeG/T in vitro mit gleicher Effizienz repariert und daß die Reparatur von O6-MeG nach dem ersten Zellzyklus protektive Auswirkung auf das zelluläre Überleben hat. Im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit stand die Induktion von DNA-Doppelstrangbrüchen durch gentoxische Agenzien in Mausfibroblasten und CHO-Zellen im Mittelpunkt. Mit Hilfe der Einzelzellgelelektrophorese (SCGE, Comet Assay) wurde gezeigt, daß alkylierende Substanzen und die durch Elektroporation in Zellen hineingebrachten Restriktionsenzyme PvuII und EcoRI DNA-Doppelstrangbrüche zu induzieren vermögen. Die Induktion und Reparatur von DNA-Doppelstrangbrüchen nach Elektroporation von PvuII war vom p53-Status der Zellen abhängig, da p53-defiziente Zellen im Gegensatz zu p53-profizienten Zellen höhere DNA-Doppelstrangbruchraten über einen längeren Zeitraum aufwiesen. Im dritten Teil wurden die physiologischen Auswirkungen einer Behandlung von Zellen mit Induktoren von DNA-Doppelstrangbrüchen untersucht. Es wurde gezeigt, daß Alkylanzien in Abhängigkeit vom Vorhandensein von MGMT Apoptose induzieren. Mit PvuII elektroporierte p53-knockout Mausfibroblasten zeigten infolgedessen und im Gegensatz zu p53-wildtyp Zellen hohe Apoptoseraten. Die Induktion der Apoptose nach Behandlung mit PvuII wie auch nach g-Bestrahlung ging einher mit einem Abfall der Proteinmenge des antiapoptotischen Bcl-2. Zusammengenommen weisen die Versuchsergebnisse dieser Arbeit darauf hin, daß nach Behandlung von Zellen mit O6-MeG-generierenden Agenzien wie auch nach g-Bestrahlung DNA-Doppelstrangbrüche das ultimative Signal darstellen können.

Processing of O 6 - methylguanine in mammalian cells

DNA methylating compounds are widely used as anti-cancer chemotherapeutics. The pharmaceutical critical DNA lesion induced by these drugs is O6-methylguanine (O6MeG). O6MeG is highly mutagenic and genotoxic, by triggering apoptosis. Despite the potency of O6MeG to induce cell death, the mechanism of O6MeG induced toxicity is still poorly understood. Comparing the response of mouse fibroblasts wild-type (wt) and deficient for ataxia telangiectasia mutant protein (ATM), a kinase responsible for both the recognition and the signalling of DNA double-strand breaks (DSBs), it was shown that ATM deficient cells are more sensitive to the methylating agents N-methyl-N’-nitro-N-nitrosoguanidine (MNNG), methyl methansulfonate (MMS) and the anti-cancer drug temozolomide, in both colony formation and apoptosis assays. This clearly shows that DSBs are involved in O6MeG toxicity. By inactivating the O6MeG repair enzyme O6-methylguanine-DNA methyltransferase (MGMT) with the specific inhibitor O6-benzylguanine (O6BG), ATM wt and deficient cells became more sensitive to MNNG and MMS. The opposite effect was observed when over-expressing MGMT in ATM -/- cells. The results show that O6MeG is the critical DNA lesion causing death in ATM cells following MNNG treatment, and is partially responsible for the toxicity observed following MMS treatment. Furthermore, by inhibiting the ATM kinase activity with caffeine, it was shown that the resistance of wt cells to MNNG was due to the kinase activity of ATM, as wt cells underwent more apoptosis following methylating agent treatment in the presence of caffeine. Apoptosis and caspase-3 activation were late events, starting 48h after treatment. This lends support to the model where O6MeG lesions are converted into DSBs during replication. As ATM wt and deficient cells showed similar G2/M blockage and Chk1 activation following MNNG and MMS treatment, it was concluded that the protective effect of ATM is not due to cell cycle progression control. The hypersensitivity of ATM deficient cells was accompanied by their inability to activate the anti-apoptotic NFkB pathway. In a second part of this study, it was shown that the inflammatory cytokine IL-1 up-regulates the DNA repair gene apurinic endonuclease 2 (APEX2). Up-regulation of APEX2 occurred by transcriptional regulation as it was abrogated by actinomycin D. APEX2 mRNA accumulation was accompanied by increase in APEX2 protein level. IL-1 induced APEX2 expression as well as transfection of cells with APEX2 cDNA positively correlated with a decrease in apoptosis after treatment with genotoxic agents, particularly affecting cell death after H2O2. This indicates an involvement of APEX2 in the BER pathway in cells responding to IL-1.

Alkylantien induzierte Zytotoxizität, DNA-schadensinduzierte Reparaturkapazität und Apoptoseinduktion von Immunzellen

Monozyten und Monozyten-abgeleitete Dendritische Zellen (DCs) spielen eine bedeutende Rolle im Immunsystem. Da DCs bei der Tumorabwehr mitwirken, ist es wichtig, dass Monozyten als auch DCs sich gegenüber zytotoxischen Agenzien aus der Chemotherapie wehren können. Chemotherapeutika reagieren mit der DNA, jedoch die DNA-Reparaturkapazität von Monozyten und DCs wurde noch nicht untersucht. Dazu wurde die Sensitivität in Monozyten und DCs gegenüber verschiedene genotoxische Agenzien untersucht. Dabei wurde herausgefunden, dass Monozyten sensitiv auf methylierende Agenzien (MNNG, MMS und Temozolomid) reagieren und ein verstärktes Zellsterben und Apoptoseinduktion zeigen. Im Vergleich zu weiteren Zytostatika wie Fotemustin, Mafosfamid und Cisplatin reagierten Monozyten und DCs gleich sensitiv. Diese Ergebnisse weisen auf einen Defekt in der Reparatur von DNA-Methylierungsschäden in Monozyten hin. Da die Expression des Reparaturproteins O6-Methylguanin-DNA Methyltransferase (MGMT) in Monozyten höher war als in DCs und deren Inhibierung durch O6-Benzylguanin keinen Effekt auf die Sensitivität von Monozyten hatte, wurde der Reparaturweg der Basenexzisionsreparatur untersucht. Im Vergleich zu DCs waren die Monozyten unfähig die BER durchzuführen, welche durch Einzelzellgelelektrophorese gemessen wurde. Expressionsuntersuchungen ergaben, dass in Monozyten XRCC1 und Ligase IIIα fehlen im Vergleich zu DCs, Makrophagen, hämatopoetische Stammzellen und Lymphozyten, welche diese Proteine exprimieren. Diese Ergebnisse zeigen einen spezifischen DNA-Reparaturdefekt in einer bestimmten Blutzellpopulation. Durch den BER Defekt in Monozyten kann es durch methylierende Tumorwirkstoffe während einer Chemotherapie zur Depletion und zu einer abgeschwächten Immunantwort kommen.

Mechanismen der Resistenz und Sensitivierung von menschlichen malignen Melanomzellen gegenüber DNA-alkylierenden Zytostatika

Das metastasierende maligne Melanom ist durch eine geringe p53-Mutations-Rate und eine hohe Resistenz gegenüber Chemotherapie mit alkylierenden Agenzien wie Fotemustin (FM) und Temozolomid (TMZ) gekennzeichnet. In der vorliegenden Arbeit wurde die Rolle von p53 in der Resistenz von malignen Melanomzellen gegenüber FM untersucht und Möglichkeiten zur Sensitivierung von Melanomzellen gegenüber TMZ und FM aufgezeigt.rnAusgangspunkt war die Beobachtung, dass p53 Wildtyp (p53wt) Melanomzellen resistenter gegenüber FM sind als p53 mutierte (p53mt) Zellen. In der vorliegenden Arbeit wurde gezeigt, dass eine FM-Behandlung in p53wt Zellen eine Stabilisierung von p53 und eine Induktion des p53-Zielproteins p21 bewirkte. Mithilfe einer p53wt Zelllinie, welche einen p53 Knockdown trägt, konnte gezeigt werden, dass p53 für die geringe Apoptose-Rate nach FM-Behandlung verantwortlich ist. Eine Untersuchung der Interstrang-Crosslink (ICL)-Reparaturkapazität zeigte, dass p53mt Zellen im Gegensatz zu p53wt Zellen nicht in der Lage sind, FM-induzierte ICL zu reparieren. Dies ging mit einer im Vergleich zu p53wt Zellen starken DNA-Schadensantwort einher. Die Gene für die Proteine DDB2 und XPC wurden als durch FM regulierte DNA-Reparatur-Gene identifiziert, deren Induktion p53-abhängig und lang anhaltend (bis zu 144 h) erfolgt. Da XPC Knockdown-Zellen sensitiver als ihre Kontrollzellen gegenüber FM reagierten, konnte die biologische Relevanz von XPC bei der ICL-Reparatur bestätigt werden. Anhand von Xenograft-Tumoren wurde gezeigt, dass FM auch in situ eine Induktion von DDB2 und XPC auslöst. Die Beobachtung, dass DNA-Reparatur-Gene nach FM-Behandlung hochreguliert werden, liefert eine Erklärung für das schlechte Ansprechen von Melanomen auf eine Therapie mit ICL-induzierenden Chemotherapeutika.rnDes Weiteren befasste sich die vorliegende Arbeit mit Möglichkeiten zur Sensitivierung von Melanomzellen gegenüber den Chemotherapeutika TMZ und FM. In diesem Zusammenhang wurde Valproinsäure (VPA), ein in der Epilepsie-Therapie verwendetes Medikament und Histondesacetylase (HDAC)-Hemmer, bezüglich der chemosensitivierenden Wirkung untersucht. Zunächst konnte der in der Literatur häufig beschriebene stabilisierende Effekt von VPA auf „wildtypisches“ p53-Protein und destabilisierende Effekt auf mutiertes p53-Protein bestätigt werden. Zwei der vier untersuchten Zelllinien konnten mithilfe von VPA gegenüber TMZ sensitiviert werden, während nur eine der vier untersuchten Zelllinien gegenüber FM sensitiviert werden konnte. VPA begünstigt die Induktion von Apoptose, während der Effekt auf die Induktion von Nekrose nur gering ausfiel. Eine Wirkung von VPA auf die Aktivität des Resistenz-vermittelnden Enzyms O6-Methylguanin-DNA-Methyltransferase (MGMT) wurde nicht beobachtet. Zudem wurde ausgeschlossen, dass die Sensitivierung gegenüber TMZ und FM, welche S-Phase abhängige Gentoxine sind, auf einer VPA-induzierten Erhöhung der Proliferation beruht. Mithilfe einer Zelllinie, welche stabil dominant-negatives FADD (Fas-associated death domain) exprimiert, konnten keine Hinweise auf eine Beteiligung des extrinsischen Apoptose-Signalwegs an der VPA-vermittelten Sensitivierung gewonnen werden. Gleichzeitig wurde gezeigt, dass VPA keine Induktion der niedrig exprimierten Procaspase-8 verursachte. Mithilfe eines PCR-Arrays wurden transaktivierende und –reprimierende Effekte von VPA auf die Genexpression gezeigt, wobei das proapoptotische Protein BAX (Breakpoint cluster-2-associated x protein) als ein in der Sensitivierung involviertes Kandidatengen identifiziert wurde. Obwohl eine vollständige Aufklärung der dem Sensitivierungseffekt von VPA zu Grunde liegenden Mechanismen nicht erbracht werden konnte, zeigen die in dieser Arbeit erlangten Beobachtungen einen vielversprechenden Weg zur Überwindung der Resistenz von Melanomzellen gegenüber DNA-alkylierenden Zytostatika auf.rn

Novel human DNA alkyltransferases obtained by random substitution and genetic selection in bacteria.

DNA repair alkyltransferases protect organisms against the cytotoxic, mutagenic, and carcinogenic effects of alkylating agents by transferring alkyl adducts from DNA to an active cysteine on the protein, thereby restoring the native DNA structure. We used random sequence substitutions to gain structure-function information about the human O6-methylguanine-DNA methyltransferase (EC 2.1.1.63), as well as to create active mutants. Twelve codons surrounding but not including the active cysteine were replaced by a random nucleotide sequence, and the resulting random library was selected for the ability to provide alkyltransferase-deficient Escherichia coli with resistance to the methylating agent N-methyl-N'-nitro-N-nitrosoguanidine. Few amino acid changes were tolerated in this evolutionarily conserved region of the protein. One mutation, a valine to phenylalanine change at codon 139 (V139F), was found in 70% of the selected mutants; in fact, this mutant was selected much more frequently than the wild type. V139F provided alkyltransferase-deficient bacteria with greater protection than the wild-type protein against both the cytotoxic and mutagenic effects of N-methyl-N'-nitro-N-nitrosoguanidine, increasing the D37 over 4-fold and reducing the mutagenesis rate 2.7-5.5-fold. This mutant human alkyltransferase, or others similarly created and selected, could be used to protect bone marrow cells from the cytotoxic side effects of alkylation-based chemotherapeutic regimens.