DNA-Reparatur und Zelltod nach gentoxischem Stress in Monozyten, dendritischen Zellen und Makrophagen

Monozyten wie auch dendritische Zellen (DCs) und Makrophagen sind ein wichtiger Bestandteil des angeborenenen unspezifischen Immunsystems. Ein Kennzeichen dieser Zellen ist die Produktion von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) zur Abtötung von Pathogenen. Im Fall von chronischen Entzündungen oder Infekten kann es zu einer explosionsartigen Freisetzung freier Radikale kommen ('Oxidative Burst'). Aus vorangegangenen Untersuchungen war bekannt, dass die Expression der beiden Basen Exziosions Reparatur (BER)-Proteine XRCC1 und Ligase III während der Ausreifung humaner Monozyten zu DCs induziert wird (Briegert and Kaina, 2007). Dies lies vermuten, dass Monozyten aufgrund einer defekten BER eine hohe Sensitivität gegenüber ROS aufweisen. Um diese Hypothese zu überprüfen, wurde die Wirkung von ROS auf humane Monozyten und daraus abgeleiteten DCs und Makrophagen untersucht. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass Monozyten eine hohe Sensitivität gegenüber oxidativem Stress aufweisen, was auf eine höhere Einzelstrangbruch-Rate zurückzuführen war. Ursache hierfür ist das Fehlen der BER-Proteine XRCC1, Ligase III und PARP-1. Die fehlende Expression dieser Proteine resultierte letztendlich in Monozyten in einem Defekt der BER und DNA-Einzelstrangbruchreparatur. rnDie Proteine XRCC1, Ligase III und PARP-1 sind auch Bestandteil des Apparats des B-NHEJ ('backup-non homologous end joining'), was auf eine Beeinträchtigung der Monozyten hinsichtlich der Prozessierung von Doppelstrangbrüchen (DSBs) schließen lässt. Zur Untersuchung dieser Vermutung, wurde die Wirkung von Ionisierender Strahlung ('ionizing radiation'; IR) auf Monozyten, DCs und Makrophagen bestimmt. Monozyten zeigten eine signifikant höhere Sensitivität gegenüber IR als DCs und Makrophagen, was auf eine erhöhte DSB-Rate in den Monozyten nach IR zurückzuführen war. Expressionsanalysen und ein DNA-PK-Aktivitäts-Assay zeigten zusätzlich, dass Monozyten keine DNA-PKcs, ein bedeutender Faktor des C-NHEJ, exprimieren. Somit haben Monozyten sowohl einen Defekt im B-NHEJ als auch im C-NHEJ und sind demnach nicht in der Lage, DSBs zu reparieren.rnAuch gegenüber dem Alkylanz und Chemotherapeutikum Temozolomid bewirken die Reparaturdefekte eine hohe Sensitivität der Monozyten. Zur Therapie von Hirntumoren werden neben der Operation, die Bestrahlung und Chemotherapie mit Temozolomid angewendet. Die hohe Sensitivität von Monozyten gegenüber IR und Temozolomid könnte eine Erklärung für die starke Immunsuppression bei einer derartigen Therapie sein.rn

Aktivierung von c-Jun-N-terminalen Kinasen (SAPK,JNK) als Teil der späten Cisplatin abhängigen DNA-Schadensantwort

Stress-aktivierte-Protein-Kinasen (c-Jun-N-terminal kinases) SAPK/JNK werden sehr schnell nach Exposition von Zellen mit verschiedensten Noxen, wie beispielsweise Genotoxinen, aktiviert. Sie sind allerdings noch nicht als Teil der DNA-Schadensantwort etabliert. In dieser Arbeit sollte gezeigt werden, das SAPK/JNK einen wichtigen Teil innerhalb der DNA-Schadensantwort spielen. Aus diesem Grund wurde zu frühen (z.B.: 4 h) als auch zu späten Zeiten (z.B.: 24 h) die Bildung von DNA-Addukten nach Cisplatin Exposition untersucht und überprüft, ob diese mit dem Aktivierungsstatus der SAPK/JNK nach Cisplatinbehandlung korreliert. Menschliche Fibroblasten, die einen Defekt in der Transkription gekoppelten Nukleotid-Exzisionsreparatur (TC-NER) aufwiesen, wie beispielsweise CSB-Zellen (Cockayne Syndrom B) oder XPA-Zellen (Xeroderma Pigmentosum A), sind charakterisiert durch einen erhöhten Phosphorylierungsstatus der SAPK/JNK, 16 h nach Cisplatingabe, im Vergleich zu normalen Wildtyp-Fibroblasten. Die nach Cisplatin Exposition beobachtete Aktivierung der SAPK/JNK ist quantitativ jedoch nicht vergleichbar mit dem Level an gebildeten Cisplatin-DNA-Addukten, wie in den Southwestern- und Massenspektrometrischen Untersuchungen gezeigt werden konnte. Es konnten jedoch Parallelen zwischen der Aktivierung der SAPK/JNK, sowie den gezeigten γ-H2AX-Foci als auch der Aktivierung von Check-Point Kinasen gefunden werden. Dies lässt darauf schließen, dass DNA-Doppelstrangbrüche (DSB) an der späten Aktivierung des SAPK/JNK Signalweges beteiligt sind. Dementsprechend lässt sich ebenfalls in Zellen, die einen Defekt in der Reparatur von Doppelstrangsbrüchen aufweisen, wie beispielsweise DNA-PKcs Zellen, eine erhöhte, durch Cisplatin hervorgerufene späte Phosphorylierung der SAPK/JNK als auch eine vermehrte γ-H2AX-Foci Bildung und Check-Point Kinasen Aktivierung nachweisen. Vergleichend dazu zeigten Zellen mit einem Defekt in ATM (Ataxia telegiectasia mutated protein) oder XPC keine erhöhte Phosphorylierung zu späten Zeiten nach Cisplatin Behandlung. Weiterhin bleibt festzuhalten, dass die späte, durch Cisplatin hervorgerufene Schadensantwort unabhängig von p53, ER-Stress oder MKP-1 ist. Die SAPK/JNK Aktivierung nach Cisplatin Exposition erfordert funktionsfähige Rho-GTPasen und kann durch pharmakologische Hemmung der Tyrosin-Kinasen und durch N-Acetylcystein gehemmt werden. Es lässt sich zusammenfassend sagen, dass die durch Cisplatin induzierte späte SAPK/JNK Aktivierung durch die Formation von DSB initiiert wird und XPC, Rho-Proteine sowie Tyrosin Kinasen an der Signalweiterleitung beteiligt sind.

Untersuchungen zur Wechselbeziehung zwischen Proteom, Energiestoffwechsel, Redoxstatus und Radiosensibilität von Tumorzellen in vitro und in vivo

Zielsetzung der vorliegenden Arbeit war die Erforschung ursächlicher Unterschiede im Energiestoffwechsel von hoch- und niedrig-glykolytischen Tumorzelllinien. Darüber hinaus wurde die Hypothese überprüft, wonach eine hohe glykolytische Aktivität in Tumorzellen zu einer Anreicherung von antioxidativen Metaboliten führt und infolgedessen eine Therapieresistenz gegen Gammabestrahlung hervorruft. Abschließend sollte durch biochemische und gentechnische Manipulationen des Energie- bzw. Glukosestoffwechsels die Strahlenresistenz von Tumorzellen verändert und somit neue therapeutische Interventionen eröffnet werden.rnDie zur Klärung dieser Fragestellung erforderlichen molekularbiologischen Experimente erfolgten an jeweils zwei Ovarialkarzinomzelllinien (OC316 und IGROV-1) und zwei Plattenepithelkarzinomzelllinien der Kopf- und Halsregion (SAS und FaDu) sowie den entsprechenden Experimentaltumoren.rnUnabhängig von der Tumorentität und dem Tumormodell konnte gezeigt werden, dass eine erhöhte Expression Stoffwechsel-assoziierter Proteine mit einem gesteigerten Energiestoffwechsel einhergeht. Der Transfer der Ovarial- und Plattenepithelkarzinomzelllinien in das Mausmodell führte zu keiner grundsätzlichen Änderung des Tumormikromilieus. So wies die hoch-metabolische Linie OC316 in vitro und in vivo eine stark erhöhte MCT-4 Expression auf, deren gentechnische Inhibition jedoch zu keiner Reduktion der Glykolyserate führte.rnDie Hypothese, dass die Laktatproduktion als prädiktiver Marker für die Strahlenresistenz einer Tumorzelllinie fungiert, konnte nicht bestätigt werden. Jedoch führte die Manipulation der intrazellulären Laktatbildung und des Energiestoffwechsels mit nicht zelltoxischen Konzentrationen von 2-Deoxy-D-glukose (2DG) und Rotenon (ROT) bei den Ovarialkarzinomzelllinien zu einer Erhöhung der intrazellulären O2--Anionen, einer Zunahme der Strahlenempfindlichkeit sowie zur Steigerung der initialen und residualen DNA-Doppelstrangbrüche nach Gammabestrahlung.rnHierbei wirken 2DG und ROT synergistisch durch die Inhibierung antioxidativer Systeme sowie durch die Erhöhung des zellulären Radikal-Status. Die Anwendung von Stoffwechselmanipulatoren zur Optimierung und Unterstützung vorhandener Radikal-erzeugender Therapieformen wird aktuell in klinischen Studien überprüft. Translational könnte die durch 2DG und ROT beschriebene Erhöhung der Strahlenempfindlichkeit bei Ovarialkarzinomzelllinien z. B. in Kombination mit intensitätsmodulierten Strahlentherapien neue Behandlungsmöglichkeiten eröffnen, was in weiterführenden in vivo Studien zu überprüfen ist.rn

Analysis of zinc oxide nanoparticles as a potential mutagen of respiratory epithelia

Metallische Nanopartikel und ihre Oxide (z.B. ZnO NP, TiO2 NP und Fe2O3 NP) werden aufgrund ihrer chemischen und physikalischen Eigenschaften häufig als Additive in der Reifenproduktion, in Katalysatoren, Lebensmitteln, Arzneimitteln und Kosmetikprodukten verwendet. Künftig wird ein kontinuierlicher Anstieg der industriellen Anwendung (~ 1663 Tonnen im Jahr 2025) mit gesteigerter Freisetzung in die Umwelt erwartet, was zwangsläufig zu einer vermehrten Aufnahme über das respiratorische Epithel führt. Metalldampffieber ist als gesundheitsschädigender Effekt von Metalloxid-haltigen Aerosolen (z.B. ZnO) nach Inhalation bekannt. Immunreaktionen, wie beispielsweise Entzündungen, werden häufig mit der Entstehung von Sauerstoffradikalen (ROS) in Verbindung gebracht, die wiederum zu DNA-Schäden führen können. Drei mögliche Ursachen der Genotoxität werden angenommen: direkte Interaktion von Nanopartikeln mit intrazellulären Strukturen, Interaktion von Ionen dissoziierter Partikel mit intrazellulären Strukturen sowie die Entstehung von ROS initiiert durch Partikel oder Ionen.rnDie vorliegende Studie befasst sich mit den Mechanismen der Genotoxizität von ZnO Nanopartikeln (ZnO NP), als Beispiel für metallische Nanopartikel, im respiratorischen Epithel. In der Studie wurde gezielt die intrazelluläre Aufnahme und Verteilung von ZnO NP, deren Toxizität, deren DNA schädigendes Potential sowie die Aktivierung der DNA damage response (DDR) analysiert.rnEs konnten kaum internalisierte ZnO NP mittels TEM detektiert werden. Innerhalb der ersten Sekunden nach Behandlung mit ZnO NP wurde spektrofluorometrisch ein starker Anstieg der intrazellulären Zn2+ Konzentration gemessen. In unbehandelten Zellen war Zn2+ in granulären Strukturen lokalisiert. Die Behandlung mit ZnO NP führte zu einer Akkumulation von Zn2+ in diesen Strukturen. Im zeitlichen Verlauf verlagerten sich die Zn2+-Ionen in das Zytoplasma, sowie in Zellkerne und Mitochondrien. Es wurde keine Kolokalisation von Zn2+ mit den frühen Endosomen und dem endoplasmatischen Retikulum beobachtet. Die Vorbehandlung der Zellen mit Diethylen-triaminpentaessigsäure (DTPA), als extrazellulärem Komplexbildner, verhinderte den intrazellulären Anstieg von Zn2+ nach Behandlung mit den Partikeln.rnDie Behandlung mit ZnO NP resultierte in einer zeit- und dosisabhängigen Reduktion der zellulären Viabilität, während die intrazelluläre ROS-Konzentrationen in den ersten 30 min leicht und anschließend kontinuierlich bis zum Ende der Messung anstiegen. Außerdem verringerte sich das mitochondriale Membranpotential, während sich die Anzahl der frühapoptotischen Zellen in einer zeitabhängigen Weise erhöhte. rnDNA Doppelstrangbrüche (DNA DSB) wurden mittels Immunfluoreszenz-Färbung der γH2A.X foci sichtbar gemacht und konnten nach Behandlung mit ZnO NP detektiert werden. Die Vorbehandlung mit dem Radikalfänger N-Acetyl-L-Cytein (NAC) resultierte in stark reduzierten intrazellulären ROS-Konzentrationen sowie wenigen DNA DSB. Die DNA Schädigung wurde durch Vorbehandlung mit DTPA ganz verhindert.rnDie Aktivierung der DDR wurde durch die Analyse von ATM, ATR, Chk1, Chk2, p53 und p21 mittels Western Blot und ELISA nach Behandlung mit ZnO NP überprüft. Der ATR/Chk1 Signalweg wurde durch ZnO NP nicht aktiviert. Die Komplexierung von Zn2+ resultierte in einer verminderten ATM/Chk2 Signalwegaktivierung. Es zeigte sich, dass das Abfangen von ROS keinen Effekt auf die ATM/Chk2 Signalwegaktivierung hatte.rnZusammengefasst wurde festgestellt, dass die Exposition mit ZnO NP in der Entstehung von ROS, reduzierter Viabilität und vermindertem mitochondrialem Membranpotential resultiert, sowie zeitabhängig eine frühe Apoptose initiiert. ZnO NP dissoziierten extrazellulär und wurden schnell als Zn2+ über unbekannte Mechanismen internalisiert. Die Zn2+-Ionen wurden im Zytoplasma, sowie besonders in den Mitochondrien und dem Zellkern, akkumuliert. Die DDR Signalgebung wurde durch ZnO NP aktiviert, jedoch nicht durch NAC inhibiert. Es wurde gezeigt, dass DTPA die DDR Aktivierung komplett inhibierte. Die Behandlung mit ZnO NP induzierte DNA DSB. Die Inhibition von ROS reduzierte die DNA DSB und die Komplexierung der Zn2+ verhinderte die Entstehung von DNA DSB.rnDiese Daten sprechen für die Dissoziation der Partikel und die hierbei freigesetzten Zn2+ als Hauptmediator der Genotoxizität metallischer Nanopartikel. rn

The presence of iodinated contrast agents amplifies DNA radiation damage in computed tomography

The purpose of this study was to determine the influence of iodinated contrast agents on the formation of DNA double-strand breaks in vitro in lymphocytes and to verify these results in patients undergoing diagnostic computed tomography examinations. Blood samples were irradiated in vitro in the presence of iodinated X-ray contrast agent. Controls were irradiated without contrast agent. Fourteen patients were investigated using contrast-enhanced computed tomography (CT), and 14 other patients with unenhanced CT. Blood samples were taken prior to and 5 min and 1, 2 and 24 h after the CT examination. In these blood samples the average number of γH2Ax-foci per lymphocyte was enumerated by fluorescence microscopy. Statistical differences between foci numbers developed in the presence and absence of contrast agent were tested using an independent sample t-test. In vitro foci numbers after irradiation were significantly higher when contrast agent was present during irradiation. In vivo, γH2Ax-foci levels were 58% higher in patients undergoing contrast-enhanced CT compared with those undergoing unenhanced CT. In the presence of iodinated contrast agents DNA, damage is increased and the radiation dose is not the only factor affecting the amount of DNA damage. Individual patient characteristics and biological dosimetry applications, e.g. the analysis of γH2Ax-foci, have to be considered.

Ctp1 and the MRN-complex are required for endonucleolytic Rec12 removal with release of a single class of oligonucleotides in fission yeast

DNA double-strand breaks (DSBs) are formed during meiosis by the action of the topoisomerase-like Spo11/Rec12 protein, which remains covalently bound to the 5' ends of the broken DNA. Spo11/Rec12 removal is required for resection and initiation of strand invasion for DSB repair. It was previously shown that budding yeast Spo11, the homolog of fission yeast Rec12, is removed from DNA by endonucleolytic cleavage. The release of two Spo11 bound oligonucleotide classes, heterogeneous in length, led to the conjecture of asymmetric cleavage. In fission yeast, we found only one class of oligonucleotides bound to Rec12 ranging in length from 17 to 27 nucleotides. Ctp1, Rad50, and the nuclease activity of Rad32, the fission yeast homolog of Mre11, are required for endonucleolytic Rec12 removal. Further, we detected no Rec12 removal in a rad50S mutant. However, strains with additional loss of components localizing to the linear elements, Hop1 or Mek1, showed some Rec12 removal, a restoration depending on Ctp1 and Rad32 nuclease activity. But, deletion of hop1 or mek1 did not suppress the phenotypes of ctp1Delta and the nuclease dead mutant (rad32-D65N). We discuss what consequences for subsequent repair a single class of Rec12-oligonucleotides may have during meiotic recombination in fission yeast in comparison to two classes of Spo11-oligonucleotides in budding yeast. Furthermore, we hypothesize on the participation of Hop1 and Mek1 in Rec12 removal.

Sarcoid-derived fibroblasts: links between genomic instability, energy metabolism and senescence.

Bovine papillomavirus 1 (BPV-1) is a well recognized etiopathogenetic factor in a cancer-like state in horses, namely equine sarcoid disease. Nevertheless, little is known about BPV-1-mediated cell transforming effects. It was shown that BPV-1 triggers genomic instability through DNA hypomethylation and oxidative stress. In the present study, we further characterized BPV-1-positive fibroblasts derived from sarcoid tumors. The focus was on cancer-like features of sarcoid-derived fibroblasts, including cell cycle perturbation, comprehensive DNA damage analysis, end-replication problem, energy metabolism and oncogene-induced premature senescence. The S phase of the cell cycle, polyploidy events, DNA double strand breaks (DSBs) and DNA single strand breaks (SSBs) were increased in BPV-1-positive cells compared to control fibroblasts. BPV-1-mediated oxidative stress may contribute to telomere dysfunction in sarcoid-derived fibroblasts. Loss of mitochondrial membrane potential and concurrent elevation in intracellular ATP production may be a consequence of changes in energy-supplying pathways in BPV-1-positive cells which is also typical for cancer cells. Shifts in energy metabolism may support rapid proliferation in cells infected by BPV-1. Nevertheless, sarcoid-derived fibroblasts representing a heterogeneous cell fraction vary in some aspects of metabolic phenotype due to a dual role of BPV-1 in cell transformation and oncogene-induced premature senescence. This was shown with increased senescence-associated β-galactosidase (SA-β-gal) activity. Taken together, metabolic phenotypes in sarcoid-derived fibroblasts are plastic, which are similar to greater plasticity of cancer tissues than normal tissues.

ARTEMIS INTERACTS WITH THE CUL4A UBIQUITIN E3 LIGASE COMPLEX AND REGULATES THE CELL CYCLE PROGRESSION

Artemis, a member of the SNM1 gene family, is one of the six known components of the non-homologous end joining pathway. It is a multifunctional phospho-protein that has been shown to be modified by the phosphatidylinositol 3-kinases (PIKs) DNA-PKcs, ATM and ATR in response to a variety of cellular stresses. Artemis has important roles in V(D)J recombination, DNA double strand breaks repair and damage-induced cell-cycle checkpoint regulation. The detailed mechanism by which Artemis mediates its functions in these cellular pathways needs to be further elucidated. My work presented here demonstrates a new function for Artemis in cell cycle regulation as a component of Cullin-based E3 ligase complex. I show that Artemis interacts with Cul4A-DDB1 ligase complex via a direct interaction with the substrate-specific receptor DDB2, and deletion mapping analysis shows that part of the Snm1 domain of Artemis is responsible for this interaction. Additionally, Artemis also interacts with p27, a substrate of Cul4A-DDB1 complex, and both DDB2 and Artemis are required for the degradation of p27 mediated by this complex. Furthermore, I show that the regulation of p27 by Artemis and DDB2 is critical for cell cycle progression in normally proliferating cells and in response to serum withdrawal. Finally, I provide evidence showing that Artemis may be also a part of other Cullin-based E3 ligase complexes, and it has a role in controlling p27 levels in response to different cellular stress, such as UV irradiation. These findings suggest a novel pathway to regulate p27 protein level and define a new function for Artemis as an effector of Cullin-based E3-ligase mediated ubiquitylation, and thus, a cell cycle regulator in proliferating cells.

Modulating bioreductive drug activity with antivascular agents

Modulation of tumor hypoxia to increase bioreductive drug antitumor activity was investigated. The antivascular agent 5,6-dimethylxanthenone acetic acid (DMXAA) was used in combination studies with the bioreductive drugs Tirapazamine (TPZ) and Mitomycin C (MMC). Blood perfusion studies with DMXAA showed a maximal reduction of 66% in tumor blood flow 4 hours post drug administration. This tumor specific decrease in perfusion was also found to be dose-dependent, with 25 and 30 mg/kg DMXAA yielding greater than 50% reduction in tumor blood flow. Increases in antitumor activity with combination therapy (bioreductive drugs $+$ DMXAA) were significant over individual therapies, suggesting an increased activity due to increased hypoxia induced by DMXAA. Combination studies yielded the following significant tumor growth delays over control: MMC (5mg/kg) $+$ DMXAA (25mg/kg) = 20 days, MMC (2.5mg/kg) $+$ DMXAA (25 mg/kg) = 8 days, TPZ (21.4mg/kg) $+$ DMXAA (17.5mg/kg) = 4 days. The mechanism of interaction of these drugs was investigated by measuring metabolite production and DNA damage. 'Real time' microdialysis studies indicated maximal metabolite production at 20-30 minutes post injection for individual and combination therapies. DNA double strand breaks induced by TPZ $\pm$ DMXAA (20 minutes post injection) were analyzed by pulsed field gel electrophoresis (PFGE). Southern blot analyses and quantification showed TPZ induced DNA double strand breaks, but this effect was not evident in combination studies with DMXAA. Based on these data, combination studies of TPZ $+$ DMXAA showed increased antitumor activity over individual drug therapies. The mechanism of this increased activity, however, does not appear to be due to an increase in TPZ bioreduction at this time point. ^

Characterization of the potential role for RNA-binding protein FUS/TLS in DNA damage response: A quantitative proteomic approach

FUS/TLS (fused in sarcoma/translocated in liposarcoma) is a ubiquitously expressed RNA-binding protein of the hnRNP family, that has been discovered as fused to transcription factors, through chromosomal translocations, in several human sarcomas and found in protein aggregates in neurons of patients with an inherited form of Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS) [1]. To date, FUS/TLS has been implicated in a variety of cellular processes such as gene expression control, transcriptional regulation, pre-mRNA splicing and miRNA processing [2]. In addition, some evidences link FUS/TLS to genome stability control and DNA damage response. In fact, mice lacking FUS/TLS are hypersensitive to ionizing radiation (IR) and show high levels of chromosome instability and in response to double-strand breaks, FUS/TLS gets phosphorylated by the protein kinase ATM [3,4,5]. Furthermore, the inducible depletion of FUS/TLS in a neuroblastoma cell line (SH-SY5Y FUS/TLS TET-off iKD) subjected to genotoxic stress (IR) resulted in an increased phosphorylation of γH2AX respect to control cells, suggesting an higher activation of the DNA damage response. The study aims to investigate the specific role of FUS/TLS in DNA damage response through the characterization of the proteomic profile of SH-SY5Y FUS/TLS iKD cells subjected to DNA damage stress, by mass spectrometry-based quantitative proteomics (e.g. SILAC). Preliminary results of mass spectrometric identification of FUS/TLS interacting proteins in HEK293 cells, expressing a recombinant flag-tagged FUS/TLS protein, highlighted the interactions with several proteins involved in DNA damage response, such as DNA-PK, XRCC-5/-6, and ERCC-6, raising the possibilities that FUS/TLS is involved in this pathway, even thou its exact role still need to be addressed.

Characterization of the potential role for RNA-binding protein FUS in DNA damage response: A quantitative proteomic approach

FUS/TLS (fused in sarcoma/translocated in liposarcoma) is a ubiquitously expressed protein of the hnRNP family, that has been discovered as fused to transcription factors in several human sarcomas and found in protein aggregates in neurons of patients with an inherited form of Amyotrophic Lateral Sclerosis [Vance C. et al., 2009]. FUS is a 53 kDa nuclear protein that contains structural domains, such as a RNA Recognition Motif (RRM) and a zinc finger motif, that give to FUS the ability to bind to both RNA and DNA sequences. It has been implicated in a variety of cellular processes, such as pre-mRNA splicing, miRNA processing, gene expression control and transcriptional regulation [Fiesel FC. and Kahle PJ., 2011]. Moreover, some evidences link FUS to genome stability control and DNA damage response: mice lacking FUS are hypersensitive to ionizing radiation (IR) and show high levels of chromosome instability and, in response to double-strand breaks, FUS is phosphorylated by the protein kinase ATM [Kuroda M. et al., 2000; Hicks GG. et al., 2000; Gardiner M. et al., 2008]. Furthermore, preliminary results of mass spectrometric identification of FUS interacting proteins in HEK293 cells, expressing a recombinant flag-tagged FUS protein, highlighted the interactions with proteins involved in DNA damage response, such as DNA-PK, XRCC-5/-6, and ERCC-6, raising the possibilities that FUS is involved in this pathway, even though its role still needs to be clarified. This study aims to investigate the biological roles of FUS in human cells and in particular the putative role in DNA damage response through the characterization of the proteomic profile of the neuroblastoma cell line SH-SY5Y upon FUS inducible depletion, by a quantitative proteomic approach. The SH-SY5Y cell line that will be used in this study expresses, in presence of tetracycline, a shRNA that targets FUS mRNA, leading to FUS protein depletion (SH-SY5Y FUS iKD cells). To quantify changes in proteins expression levels a SILAC strategy (Stable Isotope Labeling by Amino acids in Cell culture) will be conducted on SH-SY5Y FUS iKD cells and a control SH-SY5Y cell line (that expresses a mock shRNA) and the relative changes in proteins levels will be evaluated after five and seven days upon FUS depletion, by nanoliquid chromatography coupled to tandem mass spectrometry (nLC-MS/MS) and bioinformatics analysis. Preliminary experiments demonstrated that the SH-SY5Y FUS iKD cells, when subjected to genotoxic stress (high dose of IR), upon inducible depletion of FUS, showed a increased phosphorylation of gH2AX with respect to control cells, suggesting an higher activation of the DNA damage response.

Proteomic characterization of the FUS/TLS interactome

FUS/TLS (fused in sarcoma/translocated in liposarcoma) is a ubiquitously expressed RNA-binding protein, that has been discovered as fused to transcription factors in several human sarcomas and found in protein aggregates in neurons of patients with an inherited form of Amyotrophic Lateral Sclerosis [1]. To date, FUS has been implicated in a variety of cellular processes such as gene expression control, transcriptional regulation, pre-mRNA splicing and miRNA processing [2]. In addition, some evidences link FUS to genome stability control and DNA damage response. In fact, mice lacking FUS are hypersensitive to ionizing radiation and show high levels of chromosome instability and in response to double-strand breaks, FUS gets phosphorylated by the protein kinase ATM [3, 4, 5]. Moreover, upon DNA damage stress, FUS mediates Ebp1 (ErbB3 receptor-binding protein) SUMOylation, a post-translational modification that is required for its onco-suppressive activity, by acting as SUMO E3 ligase [6]. The study aims to investigate the role of FUS in DNA damage response and SUMOylation, two cellular pathways tightly interconnected to each other. Moreover, we will exploit biochemical and mass spectrometry-based approaches in order to identify other potential substrates of the E3 SUMO ligase activity of FUS. Preliminary results of mass spectrometric identification of FUS interacting proteins, in HEK293 and SHSY5Y cells, highlighted the interaction of FUS with several proteins involved in DNA damage response and many of those have been described already as target of SUMOylation, such as XRCC5, DDX5, PARP1, Nucleophosmin, and others. These evidences strengthen the hypothesis that FUS might represent a link between these pathways, even thou its exact role still needs to be clearly addressed. [1] Vance C. et al. (2009) Science 323(5918): p. 1208-11 [2] Fiesel FC., Kahle PJ. (2011) FEBS J. 278(19): p. 3550-68 [3] Kuroda M. et al. (2000) Embo J. 19(3): p. 453-62 [4] Hicks GG. et al. (2000) Nat Genet. 24(2):p. 175-9 [5] Gardiner M. et al. (2008) Biochem J. 415(2): p. 297-307 [6] Oh SM. et al. (2010) Oncogene 29(7): p. 1017-30

Intravenous Iodinated Contrast Agents Amplify DNA Radiation Damage at CT

PURPOSE To determine the effect of the use of iodinated contrast agents on the formation of DNA double-strand breaks during chest computed tomography (CT). MATERIALS AND METHODS This study was approved by the institutional review board, and written informed consent was obtained from all patients. This single-center study was performed at a university hospital. A total of 179 patients underwent contrast material-enhanced CT, and 66 patients underwent unenhanced CT. Blood samples were taken from these patients prior to and immediately after CT. In these blood samples, the average number of phosphorylated histone H2AX (γH2AX) foci per lymphocyte was determined with fluorescence microscopy. Significant differences between the number of foci that developed in both the presence and the absence of the contrast agent were tested by using an independent sample t test. RESULTS γH2AX foci levels were increased in both groups after CT. Patients who underwent contrast-enhanced CT had an increased amount of DNA radiation damage (mean increase ± standard error of the mean, 0.056 foci per cell ± 0.009). This increase was 107% ± 19 higher than that in patients who underwent unenhanced CT (mean increase, 0.027 foci per cell ± 0.014). CONCLUSION The application of iodinated contrast agents during diagnostic x-ray procedures, such as chest CT, leads to a clear increase in the level of radiation-induced DNA damage as assessed with γH2AX foci formation.

DNA-DAMAGING REACTIONS OF NEOCARZINOSTATIN (ANTIBIOTICS, DNA REPAIR, CYTOTOXICITY)

Sensitive assays utilizing a cell-free and an intracellular system were employed to study the molecular bases of the DNA-damaging reactions of neocarzinostatin (NCS). In the cell-free DNA system, super-helical form I DNA from the bacteriophage PM2 was used as the substrate. The three forms of DNA present after treatment with NCS were separated by agarose gel electrophoresis. When NCS-damaged DNA was assayed under neutral conditions, there was a progressive decrease in the amount of surviving form I DNA and a corresponding increase in form II (nicked, relaxed circular) DNA, but very little increase in form III (linear duplex) DNA. This indicates that NCS introduces primarily single-strand breaks. However later studies showed that there were some site-specific double-strand breaks mediated by NCS on PM2 DNA. Seven such specific sites were mapped on the PM2 genome. When the damage was assayed under nondenaturing alkaline conditions or with the apurinic/apyrimidinic endonuclease IV, there was a slightly greater decrease in the amount of surviving form I DNA compared with neutral conditions indicating the presence of some alkali-labile sites.^ NCS-mediated DNA damage and repair were examined with cultured Chinese hamster ovary (CHO) cells using either alkaline elution for analysis of single-strand breaks or neutral elution for analysis of double-strand breaks. Most of the strand breaks introduced by NCS were capable of being rejoined. However, there was a small amount of residual DNA damage remaining unrejoined at 24-hr after removal of the drug. The amount of residual DNA damage was higher in a CHO mutant cell line (EM9) having a higher sensitivity to killing by NCS than its parental strain (AA8). Other lesions, DNA-protein complexes and alkali-labile sites, were detected after NCS treatment but they constituted only a small fraction of the DNA damage.^ Based on the above information, it can be postulated that NCS introduces some very lethal DNA damage. It is likely that the lethal lesions are a subset of the total DNA lesions representing the residual DNA damage. This DNA damage may be composed of site-specific, unrejoinable double-strand breaks and are thus the primary lesion leading to NCS-mediated lethality.^

DNA incisions stimulate genetic instability of triplet repeat sequences related to human hereditary neurological diseases

The molecular mechanisms responsible for the expansion and deletion of trinucleotide repeat sequences (TRS) are the focus of our studies. Several hereditary neurological diseases including Huntington's disease, myotonic dystrophy, and fragile X syndrome are associated with the instability of TRS. Using the well defined and controllable model system of Escherichia coli, the influences of three types of DNA incisions on genetic instability of CTG•CAG repeats were studied: DNA double-strand breaks (DSB), single-strand nicks, and single-strand gaps. The DNA incisions were generated in pUC19 derivatives by in vitro cleavage with restriction endonucleases. The cleaved DNA was then transformed into E. coli parental and mutant strains. Double-strand breaks induced deletions throughout the TRS region in an orientation dependent manner relative to the origin of replication. The extent of instability was enhanced by the repeat length and sequence (CTG•CAG vs. CGG•CCG). Mutations in recA and recBC increased deletions, mutations in recF stabilized the TRS, whereas mutations in ruvA had no effect. DSB were repaired by intramolecular recombination, versus an intermolecular gene conversion or crossover mechanism. 30 nt gaps formed a distinct 30 nt deletion product, whereas single strand nicks and gaps of 15 nts did not induce expansions or deletions. Formation of this deletion product required the CTG•CAG repeats to be present in the single-stranded region and was stimulated by E. coli DNA ligase, but was not dependent upon the RecFOR pathway. Models are presented to explain the DSB induced instabilities and formation of the 30 nucleotide deletion product. In addition to the in vitro creation of DSBs, several attempts to generate this incision in vivo with the use of EcoR I restriction modification systems were conducted. ^