Use of the γ-H2AX Assay to Investigate DNA Repair Dynamics Following Multiple Radiation Exposures

Radiation therapy is one of the most common and effective strategies used to treat cancer. The irradiation is usually performed with a fractionated scheme, where the dose required to kill tumour cells is given in several sessions, spaced by specific time intervals, to allow healthy tissue recovery. In this work, we examined the DNA repair dynamics of cells exposed to radiation delivered in fractions, by assessing the response of histone-2AX (H2AX) phosphorylation (γ-H2AX), a marker of DNA double strand breaks. γ-H2AX foci induction and disappearance were monitored following split dose irradiation experiments in which time interval between exposure and dose were varied. Experimental data have been coupled to an analytical theoretical model, in order to quantify key parameters involved in the foci induction process. Induction of γ-H2AX foci was found to be affected by the initial radiation exposure with a smaller number of foci induced by subsequent exposures. This was compared to chromatin relaxation and cell survival. The time needed for full recovery of γ-H2AX foci induction was quantified (12 hours) and the 1:1 relationship between radiation induced DNA double strand breaks and foci numbers was critically assessed in the multiple irradiation scenarios.

A glycine-arginine domain in control of the human MRE11 DNA repair protein.

Human MRE11 is a key enzyme in DNA double-strand break repair and genome stability. Human MRE11 bears a glycine-arginine-rich (GAR) motif that is conserved among multicellular eukaryotic species. We investigated how this motif influences MRE11 function. Human MRE11 alone or a complex of MRE11, RAD50, and NBS1 (MRN) was methylated in insect cells, suggesting that this modification is conserved during evolution. We demonstrate that PRMT1 interacts with MRE11 but not with the MRN complex, suggesting that MRE11 arginine methylation occurs prior to the binding of NBS1 and RAD50. Moreover, the first six methylated arginines are essential for the regulation of MRE11 DNA binding and nuclease activity. The inhibition of arginine methylation leads to a reduction in MRE11 and RAD51 focus formation on a unique double-strand break in vivo. Furthermore, the MRE11-methylated GAR domain is sufficient for its targeting to DNA damage foci and colocalization with gamma-H2AX. These studies highlight an important role for the GAR domain in regulating MRE11 function at the biochemical and cellular levels during DNA double-strand break repair.

Biochemical and functional characterization of the tumor suppressors BRCA1 and BAP1

L’ubiquitination est une modification post-traductionnelle qui joue un rôle majeur dans la régulation d’une multitude de processus cellulaires. Dans cette thèse, je discuterai de la caractérisation de deux protéines, BRCA1 et BAP1, soit deux suppresseurs de tumeurs fonctionnellement reliés. BRCA1, une ubiquitine ligase qui catalyse la liaison de l’ubiquitine à une protéine cible, est mutée dans les cancers du sein et de l'ovaire. Il est bien établi que cette protéine aide à maintenir la stabilité génomique suite à un bris double brin de l’ADN (BDB), et ce, à l’aide d’un mécanisme de réparation bien caractérisé appelé recombinaison homologue. Cependant, les mécanismes de régulation de BRCA1 suite à des stresses génotoxiques n’impliquant pas directement un BDB ne sont pas pleinement élucidés. Nous avons démontré que BRCA1 est régulée par dégradation protéasomale suite à une exposition des cellules à deux agents génotoxiques reconnus pour ne pas directement générer des BDBs, soit les rayons UV, qui provoquent la distorsion de l’hélice d’ADN, et le méthyle méthanesulfonate (MMS), qui entraîne l’alkylation de l’ADN. La dégradation de BRCA1 est réversible et indépendante des kinases associées à la voie des PI3 kinase, soit ATM, ATR et DNA-PK, protéines qui sont rapidement activées par les dommages à l’ADN. Nous proposons que la dégradation de BRCA1 prévienne son recrutement intempestif, ainsi que celui des facteurs qui lui sont associés, à des sites de dommages d’ADN qui ne sont pas des BDBs, et que cette régulation coordonne la réparation de l’ADN. L’enzyme de déubiquitination BAP1 a initialement été identifiée comme une protéine capable d’interagir avec BRCA1 et de réguler sa fonction. Elle est également connue pour sa capacité à se lier avec les protéines du groupe Polycomb, ASXL1 et ASXL2. Cependant, l’importance de ces interactions n’a toujours pas été établie. Nous avons démontré que BAP1 forme deux complexes protéiques mutuellement exclusifs avec ASXL1 et ASXL2. Ces interactions sont critiques pour la liaison de BAP1 à l’ubiquitine ainsi que pour la stimulation de son activité enzymatique envers l’histone H2A. Nous avons également identifié des mutations de BAP1 dérivées de cancers qui empêchent à la fois son interaction avec ASXL1 et AXSL2, et son activité de déubiquitinase, ce qui fournit un lien mécanistique direct entre la déubiquitination de H2A et la tumorigenèse. Élucider les mécanismes de régulation de BRCA1 et BAP1 menera à une meilleure compréhension de leurs rôles de suppresseurs de tumeurs, permettant ainsi d’établir de nouvelles stratégies de diagnostic et traitement du cancer.

Crystal Structures and Spectral Investigation of Aroylhydrazones and their Mixed Ligand Metal Chelates

Supra molecular architectures of coordination complexes of liydrazones through non covalent interactions have been explored. Molecular self—assernbly driven by weak interactions such as hydrogen— bonding, K '”T[, C-1-I‘ "TE, van der Waals interactions, and so forth are currently of tremendous research interest in the fields of molecule based materials. The directional properties of the hydrogembonding interaction associate discrete molecules into aggregate structures that are sufficiently stable to be considered as independent chemical species. Chemistry can borrow nature’s strategy to utilize hydrogen-bonding as Well as other noncovalent interactions as found in secondary and tertiary structures of proteins such as the double helix folding of DNA, hydrophobic selflorganization of phospholipids in cell membrane etc. In supramolecular chemistry hydrogen bonding plays an important role in forming a variety of architectures. Thus, the wise modulation and tuning of the complementary sites responsible for hydrogen—bond formation have led to its application in supramolecular electronics, host-guest chemistry, self-assembly of molecular capsules, nanotubes etc. The work presented in this thesis describes the synthesis and characterization of metal complexes derived from some substituted aroylhydrazones. The thesis is divided into seven chapters.

Síntesi, caracterització química i estudi de l'activitat biològica de nous complexos de Pt(II) amb lligands de tipus diaminocarboxílic i els respectius ésters i derivats peptídics

El cisplatí, PtCl2(NH3)2, ha estat una de les drogues més utilitzades en la quimioteràpia del càncer des del descobriment de la seva activitat. Però degut a la seva alta toxicitat i greus efectes secundaris, s'han sintetitzat nous compostos amb la finalitat de reduir aquests inconvenients. En aquest sentit, el treball desenvolupat en aquesta tesi doctoral ha estat la síntesi i caracterització de tretze complexos de Pt(II) amb la finalitat d'estudiar llur activitat antitumoral. Aquests complexos presenten unes característiques estructurals comunes: geometria cis, dos lligands làbils de tipus clorur i un lligand diaminoquelatant derivat dels àcids d,l-2,3-diaminopropiònic (Hdap) i d,l-2,4-diaminobutíric (Hdab). S'han dissenyat unes estratègies sintètiques a partir de les quals els lligands han estat funcionalitzats amb diferents grups de tipus éster, aminoàcid i peptídic: Etdap·2HCl, Etdab·2HCl, [(dap-Metala)·2CF3COOH], [(dab-Metala)·2CF3COOH], [(dap-phe)·2CF3COOH], [(dab-phe)·2CF3COOH], [(dap-Mettrp)·2CF3COOH], [(dab-Mettrp)·2CF3COOH], [(dap-ASTTTNYT-NH2)·2CF3COOH], essent Metala= éster metílic de L-alanina, phe= L-fenilalanina, Mettrp= éster metílic del L-triptofà. Aquests lligands diaminoquelatants s'han utilitzat per sintetitzar els corresponents complexos de Pt(II): PtCl2(Hdap), PtCl2(Hdab), PtCl2(Etdap), PtCl2(Etdab), PtCl2(dap-Metala), PtCl2(dab-Metala), PtCl2(dap-ala), PtCl2(dab-ala), PtCl2(dap-phe), PtCl2(dab-phe), PtCl2(dap-Mettrp), PtCl2(dab-Mettrp), PtCl2(dap-ASTTTNYT-NH2). A través de diferents tècniques i assaigs biològics (dicroisme circular, electroforesi en gel d'agarosa, microscopia de forces atòmiques, citometria de flux, assaigs de proliferació cel·lular) s'ha pogut demostrar l'activitat antitumoral d'aquests compostos. A través de la tècnica de dicroisme circular (DC) s'ha pogut demostrar que els lligands lliures no interaccionen covalentment amb el DNA de Calf Thymus i no modifiquen l'estructura secundària de la doble hèlix. En canvi, els respectius complexos han demostrat tenir capacitat per interaccionar amb el DNA i modificar la seva estructura secundària. Els complexos PtCl2(Hdap), PtCl2(Hdab) i PtCl2(dab-phe) mostren un comportament similar al cisplatí, generant adductes cis-bifuncionals que distorcionen la doble hèlix de forma no desnaturalitzant amb obertura de la doble cadena. Els complexos PtCl2(Etdap), PtCl2(Etdab), PtCl2(dap-ala), PtCl2(dab-ala), PtCl2(dap-Metala), PtCl2(dab-Metala), PtCl2(dap-phe), PtCl2(dap-ASTTTNYT-NH2) quan interaccionen amb el DNA generen un canvi en la conformació del DNA de la forma B a la forma C, produint-se un augment de la curvatura de l'hèlix per rotació de les bases nitrogenades. En aquests estudis s'ha comprovat que l'estructura del complex influeix en l'efecte generat sobre l'estructura secundària de l'àcid nucleic. En primer lloc, existeix una diferència en el comportament en funció del tamany del lligand diaminoquelatant, de manera que els complexos amb el lligand (dab) provoquen un efecte més remarcable. També s'observa aquest canvi de comportament al passar dels complexos que tenen el grup funcional esterificat als que el tenen protonat. D'aquesta manera, s'observa un major efecte sobre l'estructura secundària del DNA en aquells complexos que tenen el lligand diaminoquelatant de tres metilens (dab) i amb el grup carboxilat terminal protonat. Per tal de modelitzar la interacció d'aquests complexos amb el DNA, s'ha estudiat la interacció d'aquests compostos de Pt(II) amb 5'-GMP a través de RMN-1H, observant la variació dels senyals corresponents al H8 de 5'-GMP. Així s'ha pogut demostrar que aquests compostos interaccionen amb la 5'-GMP a través d'un enllaç covalent Pt-N7, de la mateixa manera a com interacciona el cisplatí. A través d'electroforesi en gel d'agarosa i microscopia de forces atòmiques (AFM) s'ha pogut determinar l'efecte que generen els lligands lliures i els respectius complexos de Pt(II) sobre l'estructura terciària del plasmidi pBR322. Els lligands provoquen un augment de l'agregació de les molècules de DNA i un lleuger augment de la compactació de l'estructura terciària. Aquests resultats s'atribueixen a la capacitat d'aquests compostos a interaccionar per pont d'hidrogen amb el DNA. Els corresponents complexos de Pt(II) provoquen un augment de l'agregació i una important compactació, degut per una banda a la capacitat de l'àtom de Pt a interaccionar covalentment amb el DNA, i per altra banda, a la capacitat del lligand a interaccionar per pont d'hidrogen amb l'àcid nucleic. Finalment s'ha estudiat l'activitat citotòxica d'aquests complexos de Pt(II) en diferents línies cel·lulars: A431 (línia de carcinoma epidermoide), HeLa (línia de carcinoma de coll d'úter) i HL-60 (línia promielocítica de leucèmia). Els complexos moderadament solubles en aigua, PtCl2(Hdap), PtCl2(Hdab), PtCl2(dap-ala), PtCl2(dab-ala), PtCl2(dap-phe) i PtCl2(dab-phe), han demostrat ser actius. L'activitat depèn de la concentració de complex, del temps d'incubació i de la línia cel·lular. Per temps d'incubació alts i concentracions de complex elevades s'observa la màxima activitat. Els complexos de l'alanina, PtCl2(dap-ala) i PtCl2(dab-ala), són els que mostren més activitat, mentre que els compostos de la fenilalanina són els menys actius, degut probablement a la voluminositat del lligand, la qual pot impedir o dificultar el transport del compost a través de la membrana cel·lular. L'activitat citotòxica dels complexos insolubles en aigua, PtCl2(Etdap) i PtCl2(Etdab), queda bloquejada per l'elevada concentració de DMSO (12%) necessària per solubilitzar els compostos. Aquests resultats permeten deduir que la presència d'un 12% de DMSO anul·la l'activitat d'aquests complexos, ja que el DMSO pot coordinar-se amb el Pt ocupant les posicions làbils del complex i evitant que es pugui coordinar amb el DNA. Els assaigs de proliferació cel·lular del complex PtCl2(dap-ASTTTNYT-NH2) i del pèptid lliure ASTTTNYT-NH2 han demostrat que ambdós compostos són actius. Tot i això, l'activitat del complex és superior a la del pèptid lliure, ja que el Pt pot interaccionar covalentment amb el DNA i augmentar l'efecte citotòxic. Per tant, el complex presenta un lligand portador biològicament actiu que pot transportar el metall a través de la membrana cel·lular i facilitar així la seva interacció amb el DNA. A través de la tècnica de citometria de flux s'ha comprovat que en tots els casos la mort cel·lular produïda pels complexos ha estat per apoptosi. Per últim, s'ha sintetitzat i caracteritzat un complex trinuclear de Pt(II), {[Pt(Me2Bpy)2][PtCl2(Me2Bpy)]2}, essent Me2Bpy= 4,4'-dimetil-2,2'-dipiridil. La resolució de la seva estructura per difracció de Raig-X ha permès determinar l'existència d'una interacció intramolecular Pt-Pt de 3.474 Å.

Preferred orientation in an angled intercalation site of a chloro-substituted lambda- [Ru(TAP)2(dppz)]2+ complex bound to d(TCGGCGCCGA)2

The crystal structure of the ruthenium DNA ‘light-switch’ complex -[Ru(TAP)2(11-Cl-dppz)]2+ (TAP = tetraazaphenanthrene, dppz = dipyrido[3,2-a':2',3'-c]phenazine)) bound to the oligonucleotide duplex d(TCGGCGCCGA)2 is reported. The synthesis of the racemic ruthenium complex is described for the first time, and the racemate was used in this study. The crystal structure, at atomic resolution (1.0 Å), shows one ligand as a wedge in the minor groove, resulting in the 51 kinking of the double helix, as with the parent lambda-[Ru(TAP)2(dppz)]2+. Each complex binds to one duplex by intercalation of the dppz ligand and also by semi-intercalation of one of the orthogonal TAP ligands into a second symmetrically equivalent duplex. The 11-Cl substituent binds with the major component (66%) oriented with the 11-chloro substituent on the purine side of the terminal step of the duplex.

The natural absence of RPA1N domain did not impair Leishmania amazonensis RPA-1 participation in DNA damage response and telomere protection.

We have previously shown that the subunit 1 of Leishmania amazonensis RPA (LaRPA-1) alone binds the G-rich telomeric strand and is structurally different from other RPA-1. It is analogous to telomere end-binding proteins described in model eukaryotes whose homologues were not identified in the protozoan's genome. Here we show that LaRPA-1 is involved with damage response and telomere protection although it lacks the RPA1N domain involved with the binding with multiple checkpoint proteins. We induced DNA double-strand breaks (DSBs) in Leishmania using phleomycin. Damage was confirmed by TUNEL-positive nuclei and triggered a G1/S cell cycle arrest that was accompanied by nuclear accumulation of LaRPA-1 and RAD51 in the S phase of hydroxyurea-synchronized parasites. DSBs also increased the levels of RAD51 in non-synchronized parasites and of LaRPA-1 and RAD51 in the S phase of synchronized cells. More LaRPA-1 appeared immunoprecipitating telomeres in vivo and associated in a complex containing RAD51, although this interaction needs more investigation. RAD51 apparently co-localized with few telomeric clusters but it did not immunoprecipitate telomeric DNA. These findings suggest that LaRPA-1 and RAD51 work together in response to DNA DSBs and at telomeres, upon damage, LaRPA-1 works probably to prevent loss of single-stranded DNA and to assume a capping function.

Chk1 phosphorylation of Metnase enhances DNA repair but inhibits replication fork restart

Chk1 both arrests replication forks and enhances repair of DNA damage by phosphorylating downstream effectors. Although there has been a concerted effort to identify effectors of Chk1 activity, underlying mechanisms of effector action are still being identified. Metnase (also called SETMAR) is a SET and transposase domain protein that promotes both DNA double-strand break (DSB) repair and restart of stalled replication forks. In this study, we show that Metnase is phosphorylated only on Ser495 (S495) in vivo in response to DNA damage by ionizing radiation. Chk1 is the major mediator of this phosphorylation event. We had previously shown that wild-type (wt) Metnase associates with chromatin near DSBs and methylates histone H3 Lys36. Here we show that a Ser495Ala (S495A) Metnase mutant, which is not phosphorylated by Chk1, is defective in DSB-induced chromatin association. The S495A mutant also fails to enhance repair of an induced DSB when compared with wt Metnase. Interestingly, the S495A mutant demonstrated increased restart of stalled replication forks compared with wt Metnase. Thus, phosphorylation of Metnase S495 differentiates between these two functions, enhancing DSB repair and repressing replication fork restart. In summary, these data lend insight into the mechanism by which Chk1 enhances repair of DNA damage while at the same time repressing stalled replication fork restart. Oncogene (2012) 31, 4245-4254; doi:10.1038/onc.2011.586; published online 9 January 2012

Combined low initial DNA damage and high radiation-induced apoptosis confers clinical resistance to long-term toxicity in breast cancer patients treated with high-dose radiotherapy

[EN] Background: Either higher levels of initial DNA damage or lower levels of radiation-induced apoptosis in peripheral blood lymphocytes have been associated to increased risk for develop late radiation-induced toxicity. It has been recently published that these two predictive tests are inversely related. The aim of the present study was to investigate the combined role of both tests in relation to clinical radiation-induced toxicity in a set of breast cancer patients treated with high dose hyperfractionated radical radiotherapy. Methods: Peripheral blood lymphocytes were taken from 26 consecutive patients with locally advanced breast carcinoma treated with high-dose hyperfractioned radical radiotherapy. Acute and late cutaneous and subcutaneous toxicity was evaluated using the Radiation Therapy Oncology Group morbidity scoring schema. The mean follow-up of survivors (n = 13) was 197.23 months. Radiosensitivity of lymphocytes was quantified as the initial number of DNA double-strand breaks induced per Gy and per DNA unit (200 Mbp). Radiation-induced apoptosis (RIA) at 1, 2 and 8 Gy was measured by flow cytometry using annexin V/propidium iodide. Results: Mean DSB/Gy/DNA unit obtained was 1.70 ± 0.83 (range 0.63-4.08; median, 1.46). Radiation-induced apoptosis increased with radiation dose (median 12.36, 17.79 and 24.83 for 1, 2, and 8 Gy respectively). We observed that those "expected resistant patients" (DSB values lower than 1.78 DSB/Gy per 200 Mbp and RIA values over 9.58, 14.40 or 24.83 for 1, 2 and 8 Gy respectively) were at low risk of suffer severe subcutaneous late toxicity (HR 0.223, 95%CI 0.073-0.678, P = 0.008; HR 0.206, 95%CI 0.063-0.677, P = 0.009; HR 0.239, 95%CI 0.062-0.929, P = 0.039, for RIA at 1, 2 and 8 Gy respectively) in multivariate analysis. Conclusions: A radiation-resistant profile is proposed, where those patients who presented lower levels of initial DNA damage and higher levels of radiation induced apoptosis were at low risk of suffer severe subcutaneous late toxicity after clinical treatment at high radiation doses in our series. However, due to the small sample size, other prospective studies with higher number of patients are needed to validate these results.

Radiation induced apoptosis and initial DNA damage are inversely related in locally advanced breast cancer patients

[EN] Background: DNA-damage assays, quantifying the initial number of DNA double-strand breaks induced by radiation, have been proposed as a predictive test for radiation-induced toxicity. Determination of radiation-induced apoptosis in peripheral blood lymphocytes by flow cytometry analysis has also been proposed as an approach for predicting normal tissue responses following radiotherapy. The aim of the present study was to explore the association between initial DNA damage, estimated by the number of double-strand breaks induced by a given radiation dose, and the radio-induced apoptosis rates observed. Methods: Peripheral blood lymphocytes were taken from 26 consecutive patients with locally advanced breast carcinoma. Radiosensitivity of lymphocytes was quantified as the initial number of DNA double-strand breaks induced per Gy and per DNA unit (200 Mbp). Radio-induced apoptosis at 1, 2 and 8 Gy was measured by flow cytometry using annexin V/propidium iodide. Results: Radiation-induced apoptosis increased in order to radiation dose and data fitted to a semi logarithmic mathematical model. A positive correlation was found among radio-induced apoptosis values at different radiation doses: 1, 2 and 8 Gy (p < 0.0001 in all cases). Mean DSB/Gy/DNA unit obtained was 1.70 ± 0.83 (range 0.63-4.08; median, 1.46). A statistically significant inverse correlation was found between initial damage to DNA and radio-induced apoptosis at 1 Gy (p = 0.034). A trend toward 2 Gy (p = 0.057) and 8 Gy (p = 0.067) was observed after 24 hours of incubation. Conclusions: An inverse association was observed for the first time between these variables, both considered as predictive factors to radiation toxicity.

Molecular architecture of fur binding to iron-induced and - repressed genes in Helicobacter pylori

The ferric uptake regulator protein Fur regulates iron-dependent gene expression in bacteria. In the human pathogen Helicobacter pylori, Fur has been shown to regulate iron-induced and iron-repressed genes. Herein we investigate the molecular mechanisms that control this differential iron-responsive Fur regulation. Hydroxyl radical footprinting showed that Fur has different binding architectures, which characterize distinct operator typologies. On operators recognized with higher affinity by holo-Fur, the protein binds to a continuous AT-rich stretch of about 20 bp, displaying an extended protection pattern. This is indicative of protein wrapping around the DNA helix. DNA binding interference assays with the minor groove binding drug distamycin A, point out that the recognition of the holo-operators occurs through the minor groove of the DNA. By contrast, on the apo-operators, Fur binds primarily to thymine dimers within a newly identified TCATTn10TT consensus element, indicative of Fur binding to one side of the DNA, in the major groove of the double helix. Reconstitution of the TCATTn10TT motif within a holo-operator results in a feature binding swap from an holo-Fur- to an apo-Fur-recognized operator, affecting both affinity and binding architecture of Fur, and conferring apo-Fur repression features in vivo. Size exclusion chromatography indicated that Fur is a dimer in solution. However, in the presence of divalent metal ions the protein is able to multimerize. Accordingly, apo-Fur binds DNA as a dimer in gel shift assays, while in presence of iron, higher order complexes are formed. Stoichiometric Ferguson analysis indicates that these complexes correspond to one or two Fur tetramers, each bound to an operator element. Together these data suggest that the apo- and holo-Fur repression mechanisms apparently rely on two distinctive modes of operator-recognition, involving respectively the readout of a specific nucleotide consensus motif in the major groove for apo-operators, and the recognition of AT-rich stretches in the minor groove for holo-operators, whereas the iron-responsive binding affinity is controlled through metal-dependent shaping of the protein structure in order to match preferentially the major or the minor groove.

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.

Generierung und Prozessierung oxidativer DNA-Schäden

Generierung und Prozessierung oxidativer DNA Schäden --- Ziel dieser Arbeit war es, adaptive Antworten der Zellen auf einen DNA Schädigung zu untersuchen. Hierzu wurden Experimente zur Reparatur oxidierter Basen (Substrate der Basen Exzisions Reparatur (BER)) oder von Pyrimidindimeren (Substrate der Nukleotid Exzisions Reparatur (NER)) nach einer Vorbehandlung mit DNA-schädigender Agenzien durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten, dass sowohl eine Vorbehandlung mit einer alkylierenden als auch mit einer oxidierenden Substanz zu einer adaptiven Erhöhung des zellulären Glutathionspiegels führte, die 16 h nach der Schädigung ihr Maximum erreichte. Jedoch waren die 8-oxoG Glykosylaseaktivitäten über einen Zeitraum von 18 h konstant. Diese Effekte waren unabhängig davon, ob Maus Embryofibroblasten, primäre oder p53 profiziente menschliche Zellen verwendet wurden. Die BER war ebenfalls in keiner der verschiedenen Zelllinien signifikant verbessert. Die adaptive Antwort bezüglich der Glutathionspiegel war also nicht mit einer entsprechenden Veränderung bei der DNA-Reparatur verbunden. Folglich ist die Reparatur von oxidativen DNA-Schäden durch eine vorausgehende Schädigung nicht induzierbar. Der zweite Teil der Untersuchungen zu der Reparatur beschäftigte sich mit der NER. Hierzu wurde die Reaktivierung eines mit UVB-Strahlung geschädigten Plasmids untersucht. Als Wirtszellen fungierten primäre menschliche Fibroblasten und Keratinozyten, die entweder mit UVB vorbehandelt oder ungeschädigt waren. Auch für die NER konnte keine signifikante Beschleunigung der Reparatur von Pyrimidindimeren durch eine Vorbehandlung festgestellt werden. Die Reaktivierung erfolgte ferner unabhängig vom p53-Status der Zellen, wie Versuche mit p53-siRNA zeigten. Neben der Prozessierung war die Generierung oxidativer DNA Schäden Gegenstand der Arbeit. Die verwendete Substanz Tirapazamin (TPZ) ist ein für hypoxische Zellen selektives, neues Zytostatikum und befindet sich momentan in Phase 2/3 der klinischen Prüfung. Ziel war es die von TPZ verursachten DNA Modifikationen zu charakterisieren, sowie die Toxizität und Genotoxizität zu untersuchen. Da es Hinweise auf eine Aktivierung von TPZ über eine Oxidoreduktase (OR) gab, wurden die Experimente in Wildtyp und hOR überexprimierenden Zellen durchgeführt. Die Quantifizierung der verursachten DNA-Modifikationen zeigte, dass der von TPZ verursachte Schaden in Zellen mit hOR erhöht war. Das erhaltene Schadensprofil der durch TPZ verursachten DNA-Modifikationen war dem Schadensprofil von durch Gamma-Strahlung intrazellulär verursachten Hydroxylradikalen sehr ähnlich. Da es nach der Aktivierung von TPZ durch eine OR zu einer Abspaltung von Hydroxylradikalen kommt, bestätigte dies den vermuteten Mechanismus. Weitere Untersuchungen mit t-Butanol, einem Hydroxylradikal Fänger, ergaben eine verminderte DNA-Schädigung, was ebenfalls für eine DNA-Schädigung durch Hydroxylradikale spricht. Untersuchungen zur Mutagenität zeigten das die Mutationsrate in Zellen mit hOR um das 4 fache erhöht ist. Erstaunlich war jedoch, dass der im gleichen Ausmaß von Gamma-Strahlung verursachte DNA-Schaden für die beobachtete Toxizität dieser verantwortlich war, während bei TPZ unter den gleichen Bedingungen keine Toxizität vorlag. Erklärt werden könnte die erhöhte Toxizität und Mutagenität durch so genannte geclusterte DNA-Schäden, die von Gamma-Strahlen, nicht jedoch von TPZ gebildet werden. Nach einer verlängerten Inkubation wurde sowohl für die Toxizität als auch für die Genotoxizität erneut ein verstärkender Effekt durch die OR bestätigt. Überraschend war weiterhin die von der OR unabhängige Generierung von Doppelstrangbrüchen, für die demnach ein grundsätzlich anderer Mechanismus, wie zum Beispiel eine direkte Interaktion mit der Topoisomerase II, angenommen werden muss.

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.

Molecular Dynamics Simulations of the d(TAT) Triple Helix

Molecular dynamics (MD) simulations have been used to study the dynamical and time-averaged characteristics of the DNA triple helix d(T)10âd(A)10âd(T)10. The structures sampled during the trajectory resemble closely the B-type model for the DNA triplex proposed on the basis of NMR data, although there are some subtle differences. Alternative P- and A-type conformations for the triplex, suggested from X-ray experiments, are not predicted to contribute significantly to the structure of the DNA triplex in solution. Comparison with the best available experimental data supports the correctnes of the MD-generated structures. The analysis of the collected data gives a detailed picture of the characteristics of triple-helix DNA. A new and interesting pattern of hydration, specific for triplex DNA, is an important observation. The results suggest that molecular dynamics can be useful for the study of novel nucleic acid structures.