New molecular targets in radiotherapy: DNA damage signalling and repair in targeted and non-targeted cells

Ionising radiation plays a key role in therapy due to its ability to directly induce DNA damage, in particular DNA double-strand breaks leading to cell death. Cells have multiple repair pathways which attempt to maintain genomic stability. DNA repair proteins have become key targets for therapy, using small molecule inhibitors, in combination with radiation and or chemotherapeutic agents as a means of enhancing cell killing. Significant advances in our understanding of the response of cells to radiation exposures has come from the observation of non-targeted effects where cells respond via mechanisms other than those which are a direct consequence of energy-dependent DNA damage. Typical of these is bystander signalling where cells respond to the fact that their neighbours have been irradiated. Bystander cells show a DNA damage response which is distinct from directly irradiated cells. In bystander cells, ATM- and Rad3-related (ATR) protein kinase-dependent signalling in response to stalled replication forks is an early event in the DNA damage response. The ATM protein kinase is activated downstream of ATR in bystander cells. This offers the potential for differential approaches for the modulation of bystander and direct effects with repair inhibitors which may impact on the response of tumours and on the protection of normal tissues during radiotherapy. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

Effect of phytoestrogen and antioxidant supplementation on oxidative DNA damage assessed using the comet assay

Antioxidant species may act in vivo to decrease oxidative damage to DNA, protein and lipids thus reducing the risk of coronary heart disease and cancer. Phytoestrogens are plant compounds which are a major component of traditional Asian diets and which may be protective against certain hormone-dependent cancers (breast and prostate) and against coronary heart disease. They may also be able to function as antioxidants, scavenging potentially harmful free radicals. In this study, the effects of the isoflavonoids (a class of phytoestrogen) genistein and equol on hydrogen peroxide-mediated DNA damage in human lymphocytes were determined using alkaline single-cell gel electrophoresis (the comet assay). Treatment with hydrogen peroxide significantly increased the levels of DNA strand breaks. Pre-treatment of the cells with both genistein and equol offered protection against this damage at concentrations within the physiological range. This protection was greater than that offered by addition of the known antioxidant vitamins ascorbic acid and alpha -tocopherol, or the compounds 17 beta -oestradiol and Tamoxifen which have similar structures to isoflavonoids and are known to have weak antioxidant properties. These findings are consistent with the hypothesis that phytoestrogens can, under certain conditions, function as antioxidants and protect against oxidatively-induced DNA damage. (C) 2001 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Spatio-temporal analysis of DNA damage repair using the X-ray microbeam

Cellular response to radiation damage is made by a complex network of pathways and feedback loops whose spatiotemporal organization is still unclear despite its decisive role in determining the fate of the damaged cell. The single-cell approach and the high spatial resolution offered by microbeams provide the perfect tool to study and quantify the dynamic processes associated with the induction and repair of DNA damage. The soft X-ray microbeam has been used to follow the development of radiation induced foci in live cells by monitoring their size and intensity as a function of dose and time using yellow fluorescent protein (YFP) tagging techniques. Preliminary data indicate a delayed and linear rising of the intensity signal indicating a slow kinetic for the accumulation of DNA repair protein 53BP1. A slow and limited foci diffusion has also been observed. Further investigations are required to assess whatever such diffusion is consistent with a random walk pattern or if it is the result of a more structured lesion processing phenomenon. In conclusion, our data indicates that the use of microbeams coupled to live cell microscopy represent a sophisticated approach for visualizing and quantifying the dynamics changes of DNA proteins at the damaged sites.

DNA double strand break repair: a radiation perspective

SIGNIFICANCE:
Ionizing radiation (IR) can induce a wide range of unique deoxyribonucleic acid (DNA) lesions due to the spatiotemporal correlation of the ionization produced. Of these, DNA double strand breaks (DSBs) play a key role. Complex mechanisms and sophisticated pathways are available within cells to restore the integrity and sequence of the damaged DNA molecules.
RECENT ADVANCES:
Here we review the main aspects of the DNA DSB repair mechanisms with emphasis on the molecular pathways, radiation-induced lesions, and their significance for cellular processes.
CRITICAL ISSUES:
Although the main characteristics and proteins involved in the two DNA DSB repair processes present in eukaryotic cells (homologous recombination and nonhomologous end-joining) are reasonably well established, there are still uncertainties regarding the primary sensing event and their dependency on the complexity, location, and time of the damage. Interactions and overlaps between the different pathways play a critical role in defining the repair efficiency and determining the cellular functional behavior due to unrepaired/miss-repaired DNA lesions. The repair pathways involved in repairing lesions induced by soluble factors released from directly irradiated cells may also differ from the established response mechanisms.
FUTURE DIRECTIONS:
An improved understanding of the molecular pathways involved in sensing and repairing damaged DNA molecules and the role of DSBs is crucial for the development of novel classes of drugs to treat human diseases and to exploit characteristics of IR and alterations in tumor cells for successful radiotherapy applications.

Brca1 and brca2:Role in the DNA damage response, cancer formation and treatment

BRCA1 and BRCA2 are highly penetrant breast and ovarian cancer susceptibility genes that are mutated in a significant proportion of familial breast and ovarian cancer syndromes. Both of these genes are tumour suppressors, the products of which play vital roles in the cellular response to DNA damage. These proteins function in a number of cellular pathways in order to maintain genomic stability including DNA damage signaling, DNA repair, cell cycle regulation, protein ubiquitination, chromatin remodeling, transcriptional regulation and apoptosis. This chapter will discuss the functions of these proteins and how they relate to tumour development, and therapy. © 2009 Springer Science+Business Media B.V.

DNA mismatch repair and the DNA damage response to ionizing radiation:making sense of apparently conflicting data

The DNA mismatch repair (MMR) pathway detects and repairs DNA replication errors. While DNA MMR-proficiency is known to play a key role in the sensitivity to a number of DNA damaging agents, its role in the cytotoxicity of ionizing radiation (IR) is less well characterized. Available literature to date is conflicting regarding the influence of MMR status on radiosensitivity, and this has arisen as a subject of controversy in the field. The aim of this paper is to provide the first comprehensive overview of the experimental data linking MMR proteins and the DNA damage response to IR. A PubMed search was conducted using the key words "DNA mismatch repair" and "ionizing radiation". Relevant articles and their references were reviewed for their association between DNA MMR and IR. Recent data suggest that radiation dose and the type of DNA damage induced may dictate the involvement of the MMR system in the cellular response to IR. In particular, the literature supports a role for the MMR system in DNA damage recognition, cell cycle arrest, DNA repair and apoptosis. In this review we discuss our current understanding of the impact of MMR status on the cellular response to radiation in mammalian cells gained from past and present studies and attempt to provide an explanation for how MMR may determine the response to radiation.

Significance of DNA base excision repair in the maintenance of mitochondrial function in Saccharomyces cerevisiae /

Mitochondria have an important role in cell metabolism, being the major site of ATP production via oxidative phosphorylation (OXPHOS). Accumulation of mtDNA mutations have been linked to the development of respiratory dysfunction, apoptosis, and aging. Base excision repair (BER) is the major and the only certain repair pathway existing in mitochondria that is in responsible for removing and repairing various base modifications as well as abasic sites (AP sites). In this research, Saccharomyces cerevisiae (S. cerevisiae) BER gene knockout strains, including 3 single DNA glycosylase gene knockout strains and Ap endonuclease (Apn 1 p) knockout strain were used to examine the importance of this DNA repair pathway to the maintenance of respiratory function. Here, I show that individual DNA glycosylases are nonessential in maintenance of normal function in yeast mitochondria, corroborating with previous research in mammalian experimental models. The yeast strain lacking Apn 1 p activity exhibits respiratory deficits, including inefficient and significantly low intracellular ATP level, which maybe due to partial uncoupling of OXPHOS. Growth of this yeast strain on respiratory medium is inhibited, but no evidence was found for increased ROS level in Apn 1 p mitochondria. This strain also shows an increased cell size, and this observation combined with an uncoupled OXPHOS may indicate a premature aging in the Apnlp knockout strain, but more evidence is needed to support this hypothesis. However, the BER is necessary for maintenance of mitochondrial function in respiring S.cerevisiae.

Evaluating DNA damage response (DDR) activation in human prostate cancer

Introduction: Au Canada, le cancer de la prostate est le cancer le plus fréquemment diagnostiqué chez les hommes et le plus mortel après les cancers du poumon et du côlon. Il y a place à optimiser le traitement du cancer de la prostate de manière à mettre en œuvre une médecine personnalisée qui s’adapte aux caractéristiques de la maladie de chaque patient de façon individuelle. Dans ce mémoire, nous avons évalué la réponse aux dommages de l’ADN (RDA) comme biomarqueur potentiel du cancer de la prostate. Les lésions potentiellement oncogènes de l'ADN déclenche une cascade de signalisation favorisant la réparation de l'ADN et l’activation des points de contrôle du cycle cellulaire pour préserver l’intégrité du génome. La RDA est un mécanisme central de suppression tumorale chez l’homme. La RDA joue un rôle important dans l’arrêt de la prolifération des cellules dont les génomes sont compromis, et donc, prévient la progression du cancer en agissant comme une barrière. Cette réponse cellulaire détermine également comment les cellules normales et cancéreuses réagissent aux agents utilisés pour endommager l'ADN lors du traitement du cancer comme la radiothérapie ou la chimiothérapie, en plus la présence d,un certain niveau de RDA dans les cellules du cancer de la prostate peuvent également influer sur l'issue de ces traitements. L’activation des signaux de la RDA peut agir comme un frein au cancer dans plusieurs lésions pré-néoplasiques de l'homme, y compris le cancer de la prostate. Il a été démontré que la RDA est augmentée dans les cellules de néoplasie intra- épithéliale (PIN) comparativement aux cellules prostatiques normales. Toutefois, le devient de la RDA entre le PIN et l’adénocarcinome est encore mal documenté et aucune corrélation n'a été réalisée avec les données cliniques des patients. Notre hypothèse est que les niveaux d’activation de la RDA seront variables selon les différents grades et agressivité du cancer de la prostate. Ces niveaux pourront être corrélés et possiblement prédire les réponses cliniques aux traitements des patients et aider à définir une stratégie plus efficace et de nouveaux biomarqueurs pour prédire les résultats du traitement et personnaliser les traitements en conséquence. Nos objectifs sont de caractériser l'activation de la RDA dans le carcinome de la prostate et corréler ses données avec les résultats cliniques. Méthodes : Nous avons utilisé des micro-étalages de tissus (tissue microarrays- TMAs) de 300 patients ayant subi une prostatectomie radicale pour un cancer de la prostate et déterminé le niveau d’expression de protéines de RDA dans le compartiment stromal et épithélial des tissus normaux et cancéreux. Les niveaux d’expression de 53BP1, p-H2AX, p65 et p-CHK2 ont été quantifiés par immunofluorescence (IF) et par un logiciel automatisé. Ces marqueurs de RDA ont d’abord été validés sur des TMAs-cellule constitués de cellules de fibroblastes normales ou irradiées (pour induire une activation du RDA). Les données ont été quantifiées à l'aide de couches binaires couramment utilisées pour classer les pixels d'une image pour que l’analyse se fasse de manière indépendante permettant la détection de plusieurs régions morphologiques tels que le noyau, l'épithélium et le stroma. Des opérations arithmétiques ont ensuite été réalisées pour obtenir des valeurs correspondant à l'activation de la RDA qui ont ensuite été corrélées à la récidive biochimique et l'apparition de métastases osseuses. Résultats : De faibles niveaux d'expression de la protéine p65 dans le compartiment nucléaire épithélial du tissu normal de la prostate sont associés à un faible risque de récidive biochimique. Par ailleurs, nous avons aussi observé que de faibles niveaux d'expression de la protéine 53BP1 dans le compartiment nucléaire épithéliale du tissu prostatique normal et cancéreux ont été associés à une plus faible incidence de métastases osseuses. Conclusion: Ces résultats confirment que p65 a une valeur pronostique chez les patients présentant un adénocarcinome de la prostate. Ces résultats suggèrent également que le marqueur 53BP1 peut aussi avoir une valeur pronostique chez les patients avec le cancer de la prostate. La validation d'autres marqueurs de RDA pourront également être corrélés aux résultats cliniques. De plus, avec un suivi des patients plus long, il se peut que ces résultats se traduisent par une corrélation avec la survie. Les niveaux d'activité de la RDA pourront éventuellement être utilisés en clinique dans le cadre du profil du patient comme le sont actuellement l’antigène prostatique spécifique (APS) ou le Gleason afin de personnaliser le traitement.

Histone H2B-R95A mutant identifies the pheromone pathway that signals cell cycle arrest during rapamycin response

La rapamycine est un immunosuppresseur utilisé pour traiter plusieurs types de maladies dont le cancer du rein. Son fonctionnement par l’inhibition de la voie de Tor mène à des changements dans des processus physiologiques, incluant le cycle cellulaire. Chez Saccharomyces cerevisiae, la rapamycine conduit à une altération rapide et globale de l’expression génique, déclenchant un remodelage de la chromatine. Nous proposons que les modifications des histones peuvent jouer un rôle crucial dans le remodelage de la chromatine en réponse à la rapamycine. Notre objectif principal est d’identifier d’une banque de mutants d’histone les variantes qui vont échouer à répondre à la rapamycine dans une tentative de réaliser une caractérisation des modifications d’histone critiques pour la réponse à cette drogue. Ainsi, nous avons réalisé un criblage d’une banque de mutants d’histone et identifié plusieurs mutants d‘histone dont la résistance à la rapamycine a été altérée. Nous avons caractérisé une de ces variantes d’histone, à savoir H2B, qui porte une substitution de l’alanine en arginine en position 95 (H2B-R95A) et démontré que ce mutant est extrêmement résistant à la rapamycine, et non à d’autres drogues. Des immunoprécipitations ont démontré que H2B-R95A est défectueux pour former un complexe avec Spt16, un facteur essentiel pour la dissociation de H2A et H2B de la chromatine, permetant la réplication et la transcription par les ADN et ARN polymérases, respectivement. Des expériences de ChIP-Chip et de micropuce ont démontré que l’arginine 95 de H2B est requise pour recruter Spt16 afin de permettre l’expression d’une multitude de gènes, dont certains font partie de la voie des phéromones. Des évidences seront présentées pour la première fois démontrant que la rapamycine peut activer la voie des phéromones et qu’une défectuosité dans cette voie cause la résistante à cette drogue.

Homéostasie des histones en réponse au dommage à l’ADN et étude d’inhibiteurs de désacétylases d’importance clinique

La chromatine possède une plasticité complexe et essentielle pour répondre à différents mécanismes cellulaires fondamentaux tels la réplication, la transcription et la réparation de l’ADN. Les histones sont les constituants essentiels de la formation des nucléosomes qui assurent le bon fonctionnement cellulaire d’où l’intérêt de cette thèse d’y porter une attention particulière. Un dysfonctionnement de la chromatine est souvent associé à l’émergence du cancer. Le chapitre II de cette thèse focalise sur la répression transcriptionnelle des gènes d’histones par le complexe HIR (HIstone gene Repressor) en réponse au dommage à l'ADN chez Saccharomyces cerevisiae. Lors de dommage à l’ADN en début de phase S, les kinases du point de contrôle Mec1, Tel1 et Rad53 s’assurent de bloquer les origines tardives de réplication pour limiter le nombre de collisions potentiellement mutagéniques ou cytotoxiques entre les ADN polymérases et les lésions persistantes dans l'ADN. Lorsque la synthèse totale d’ADN est soudainement ralentie par le point de contrôle, l’accumulation d'un excès d'histones nouvellement synthétisées est néfaste pour les cellules car les histones libres se lient de manière non-spécifique aux acides nucléiques. L'un des mécanismes mis en place afin de minimiser la quantité d’histones libres consiste à réprimer la transcription des gènes d'histones lors d'une chute rapide de la synthèse d'ADN, mais les bases moléculaires de ce mécanisme étaient très mal connues. Notre étude sur la répression des gènes d’histones en réponse aux agents génotoxiques nous a permis d’identifier que les kinases du point de contrôle jouent un rôle dans la répression des gènes d’histones. Avant le début de mon projet, il était déjà connu que le complexe HIR est requis pour la répression des gènes d’histones en phase G1, G2/M et lors de dommage à l’ADN en phase S. Par contre, la régulation du complexe HIR en réponse au dommage à l'ADN n'était pas connue. Nous avons démontré par des essais de spectrométrie de masse (SM) que Rad53 régule le complexe HIR en phosphorylant directement une de ses sous-unités, Hpc2, à de multiples résidus in vivo et in vitro. La phosphorylation d’Hpc2 est essentielle pour le recrutement aux promoteurs de gènes d’histones du complexe RSC (Remodels the Structure of Chromatin) dont la présence sur les promoteurs des gènes d'histones corrèle avec leur répression. De plus, nous avons mis à jour un nouveau mécanisme de régulation du complexe HIR durant la progression normale à travers le cycle cellulaire ainsi qu'en réponse aux agents génotoxiques. En effet, durant le cycle cellulaire normal, la protéine Hpc2 est très instable durant la transition G1/S afin de permettre la transcription des gènes d’histones et la production d'un pool d'histones néo-synthétisées juste avant l'initiation de la réplication de l’ADN. Toutefois, Hpc2 n'est instable que pour une brève période de temps durant la phase S. Ces résultats suggèrent qu'Hpc2 est une protéine clef pour la régulation de l'activité du complexe HIR et la répression des gènes d’histones lors du cycle cellulaire normal ainsi qu'en réponse au dommage à l’ADN. Dans le but de poursuivre notre étude sur la régulation des histones, le chapitre III de ma thèse concerne l’analyse globale de l’acétylation des histones induite par les inhibiteurs d’histone désacétylases (HDACi) dans les cellules normales et cancéreuses. Les histones désacétylases (HDACs) sont les enzymes qui enlèvent l’acétylation sur les lysines des histones. Dans plusieurs types de cancers, les HDACs contribuent à l’oncogenèse par leur fusion aberrante avec des complexes protéiques oncogéniques. Les perturbations causées mènent souvent à un état silencieux anormal des suppresseurs de tumeurs. Les HDACs sont donc une cible de choix dans le traitement des cancers engendrés par ces protéines de fusion. Notre étude de l’effet sur l’acétylation des histones de deux inhibiteurs d'HDACs de relevance clinique, le vorinostat (SAHA) et l’entinostat (MS-275), a permis de démontrer une augmentation élevée de l’acétylation globale des histones H3 et H4, contrairement à H2A et H2B, et ce, autant chez les cellules normales que cancéreuses. Notre quantification en SM de l'acétylation des histones a révélé de façon inattendue que la stœchiométrie d'acétylation sur la lysine 56 de l’histone H3 (H3K56Ac) est de seulement 0,03% et, de manière surprenante, cette stœchiométrie n'augmente pas dans des cellules traitées avec différents HDACi. Plusieurs études de H3K56Ac chez l’humain présentes dans la littérature ont rapporté des résultats irréconciliables. Qui plus est, H3K56Ac était considéré comme un biomarqueur potentiel dans le diagnostic et pronostic de plusieurs types de cancers. C’est pourquoi nous avons porté notre attention sur la spécificité des anticorps utilisés et avons déterminé qu’une grande majorité d’anticorps utilisés dans la littérature reconnaissent d’autres sites d'acétylation de l’histone H3, notamment H3K9Ac dont la stœchiométrie d'acétylation in vivo est beaucoup plus élevée que celle d'H3K56Ac. De plus, le chapitre IV fait suite à notre étude sur l’acétylation des histones et consiste en un rapport spécial de recherche décrivant la fonction de H3K56Ac chez la levure et l’homme et comporte également une évaluation d’un anticorps supposément spécifique d'H3K56Ac en tant qu'outil diagnostic du cancer chez l’humain.

Étude de l’effet de la metformine sur la survie cellulaire et sur la réparation de l’ADN chez la levure

Jusqu’à présent, la metformine a principalement été employée comme médicament contrôlant l’hyperglycémie des personnes atteintes de diabète de type II. Des études épidémiologiques ont démontré que les personnes, prenant de la metformine, développent moins de cancers. Par exemple, la prise de metformine réduit respectivement de 78% et de 46% les chances de développer un cancer hépatique ou pancréatique. Récemment, il a été montré que la metformine permet de réduire le développement de tumeur au niveau de la peau, suite à l’exposition à des rayons UVB. Dans cette étude, j’ai démontré que la présence de metformine permet une meilleure survie de la levure Saccharomyces cerevisiae suite à l’exposition à des rayons UVC ou UVA. De plus, j’ai démontré que la présence de metformine augmente le recrutement de l’histone Htz1 à la chromatine. Pour une souche htz1Δ, le niveau de survie suite à l’exposition aux rayons UVA est considérablement diminué. Htz1 permet le recrutement de Rad14 au site de dommages à l’ADN faits par les rayons UV. Htz1 est donc important pour la détection de ces sites. Enfin, le recrutement nucléaire de Rad14 en présence de metformine a considérablement augmenté. En absence de Rad14, le niveau de survie suite à l’exposition aux rayons UVA diminue significativement. Donc, Htz1 et Rad14 sont deux protéines clés dans la protection contre les rayons UV apportés par la metformine. En conclusion, avec les différents résultats de cette étude, il est possible de dire que la metformine permet une forme de protection contre les rayons UVC et UVA.

Sustained activation of p53 in confluent nucleotide excision repair-deficient cells resistant to ultraviolet-induced apoptosis

p53 activation is one of the main signals after DNA damage, controlling cell cycle arrest, DNA repair and apoptosis. We have previously shown that confluent nucleotide excision repair (NER)-deficient cells are more resistant to apoptosis induced by ultraviolet irradiation (UV). Here, we further investigated the effect of cell confluence on UV-induced apoptosis in normal and NER-deficient (XP-A and XP-C) cells, as well as the effects of treatments with the ATWATR inhibitor caffeine, and the patterns of p53 activation. Strong p53 activation was observed in either proliferating or confluent cells. Caffeine increased apoptosis levels and inhibited p53 activation in proliferating cells, suggesting a protective role for p53. However, in confluent NER-deficient cells no effect of caffeine was observed. Transcription recovery measurements showed decreased recovery in proliferating XPA-deficient cells, but no recovery was observed in confluent cells. The levels of the cyclin/Cdk inhibitor, p21(Waf1/Cip1), correlated well with p53 activation in proliferating cells. Surprisingly, confluent cells also showed similar activation of p21(Waf1/Cip1). These results indicate that reduced apoptosis in confluent cells is associated with the deficiency in DNA damage removal, since this effect is not clearly observed in NER-proficient cells. Moreover, the strong activation of p53 in confluent cells, which barely respond to apoptosis, suggests that this protein, under these conditions, is not linked to UV-induced cell death signaling. (c) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Static electric fields interfere in the viability of cells exposed to ionising radiation

Purpose: The interference of electric fields (EF) with biological processes is an issue of considerable interest. No studies have as yet been reported on the combined effect of EF plus ionising radiation. Here we report studies on this combined effect using the prokaryote Microcystis panniformis, the eukaryote Candida albicans and human cells. Materials and methods: Cultures of Microcystis panniformis (Cyanobacteria) in glass tubes were irradiated with doses in the interval 0.5-5kGy, using a 60Co gamma source facility. Samples irradiated with 3kGy were exposed for 2h to a 20Vcm-1 static electric field and viable cells were enumerated. Cultures of Candida albicans were incubated at 36C for 20h, gamma-irradiated with doses from 1-4kGy, and submitted to an electric field of 180Vcm-1. Samples were examined under a fluorescence microscope and the number of unviable (red) and viable (apple green fluorescence) cells was determined. For crossing-check purposes, MRC5 strain of lung cells were irradiated with 2 Gy, exposed to an electric field of 1250 V/cm, incubated overnight with the anti-body anti-phospho-histone H2AX and examined under a fluorescence microscope to quantify nuclei with -H2AX foci. Results: In cells exposed to EF, death increased substantially compared to irradiation alone. In C. albicans we observed suppression of the DNA repair shoulder. The effect of EF in growth of M. panniformis was substantial; the number of surviving cells on day-2 after irradiation was 12 times greater than when an EF was applied. By the action of a static electric field on the irradiated MRC5 cells the number of nuclei with -H2AX foci increased 40%, approximately. Conclusions: Application of an EF following irradiation greatly increases cell death. The observation that the DNA repair shoulder in the survival curve of C. albicans is suppressed when cells are exposed to irradiation+EF suggests that EF likely inactivate cellular recovering processes. The result for the number of nuclei with -H2AX foci in MRC5 cells indicates that an EF interferes mostly in the DNA repair mechanisms. A molecular ad-hoc model is proposed.

The mitochondrial transcription factor A functions in mitochondrial base excision repair

Mitochondrial transcription factor A (TFAM) is an essential component of mitochondrial nucleoids TFAM plays an important role in mitochondrial transcription and replication TFAM has been previously reported to inhibit nucleotide excision repair (NER) in vitro but NER has not yet been detected in mitochondria, whereas base excision repair (BER) has been comprehensively characterized in these organelles The BER proteins are associated with the inner membrane in mitochondria and thus with the mitochondrial nucleoid, where TFAM is also situated However, a function for TFAM in BER has not yet been investigated This study examines the role of TFAM in BER In vitro studies with purified recombinant TFAM indicate that it preferentially binds to DNA containing 8-oxoguanines, but not to abasic sites, uracils, or a gap in the sequence TFAM inhibited the in vitro incision activity of 8-oxoguanine DNA glycosylase (OGG1), uracil-DNA glycosylase (UDG), apurinic endonuclease 1 (APE1), and nucleotide incorporation by DNA polymerase gamma (pol gamma) On the other hand, a DNA binding-defective TFAM mutant, L58A, showed less inhibition of BER in vitro Characterization of TFAM knockdown (KD) cells revealed that these lysates had higher 8oxoG incision activity without changes in alpha OGG1 protein levels TFAM KD cells had mild resistance to menadione and increased damage accumulation in the mtDNA when compared to the control cells In addition, we found that the tumor suppressor p53, which has been shown to interact with and alter the DNA binding activity of TFAM, alleviates TFAM-Induced inhibition of BER proteins Together, the results suggest that TFAM modulates BER in mitochondria by virtue of its DNA binding activity and protein interactions Published by Elsevier B V

Repair and tolerance of DNA damage in higher plants

DNA repair mechanisms constitute an essential cellular response to DNA damage arising either from metabolic processes or from environmental sources such as ultraviolet radiation. Repair of these lesions may be via direct reversal, or by processes such as nucleotide excision repair (NER), a coordinated pathway in which lesions and the surrounding nucleotides are excised and replaced via DNA resynthesis. The importance of repair is illustrated by human disease states such as xeroderma pigmentosum and Cockayne's syndrome which result from defects in the NER system arising from mutations in XP- genes or XP- and CS- genes respectively Little detail is known of DNA damage repair processes in plants, despite the economic and ecological importance of these organisms. This study aimed to expand our knowledge of the process of NER in plants, largely via a polymerase chain reaction (PCR)-based approach involving amplification, cloning and characterisation of plant genomic DNA and cDNA. Homologues of the NER components XPF/RAD1 and XPD/RAD3 were isolated as both genomic and complete cDNA sequences from the model dicotyledonous plant Arabidopsis thaliana. The sequence of the 3'-untranslated region of atXPD was also determined. Comparison of genomic and cDNA sequences allowed a detailed analysis of gene structures, including details of intron/exon processing. Variable transcript processing to produce three distinct transcripts was found in the case of atXPF. In an attempt to validate the proposed homologous function of these cDNAs, assays to test complementation of resistance to ultraviolet radiation in the relevant yeast mutants were performed. Despite extensive amino acid sequence conservation, neither plant cDNA was able to restore UV-resistance. As the yeast RAD3 gene product is also involved in vivo in transcription, and so is required for viability, the atXPD cDNA was tested in a complementation assay for this function in an appropriate yeast mutant. The plant cDNA was found to substantially increase the viability of the yeast mutant. The structural and functional significance of these results is discussed comparatively with reference to yeast, human and other known homologues. Other putative NER homologues were identified in A. thaliana database sequences, including those of ERCC1/RAD10 and XPG/ERCC5/RAD2, and are now the subjects of ongoing investigations. This study also describes preliminary investigations of putative REVS and RAD30 translesion synthesis genes from A. thaliana.