The effect of the dibenzylbutyrolactolic lignan (-)-cubebin on doxorubicin mutagenicity and recombinogenicity in wing somatic cells of Drosophila melanogaster

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Relationship between head and neck cancer therapy and some genetic endpoints

Head and neck cancer (HNC) is the sixth most common human malignancy worldwide. The main forms of treatment for HNC are surgery, radiotherapy (RT) and chemotherapy (CT). However, the choice of therapy depends on the tumor staging and approaches, which are aimed at organ preservation. Because of systemic RT and CT genotoxicity, one of the important side effects is a secondary cancer that can result from the activity of radiation and antineoplastic drugs on healthy cells. Ionizing radiation can affect the DNA, causing single and double-strand breaks, DNA-protein crosslinks and oxidative damage. The severity of radiotoxicity can be directly associated with the radiation dosimetry and the dose-volume differences. Regarding CT, cisplatin is still the standard protocol for the treatment of squamous cell carcinoma, the most common cancer located in the oral cavity. However, simultaneous treatment with cisplatin, bleomycin and 5-fluorouracil or treatment with paclitaxel and cisplatin are also used. These drugs can interact with the DNA, causing DNA crosslinks, double and single-strand breaks and changes in gene expression. Currently, the late effects of therapy have become a recurring problem, mainly due to the increased survival of HNC patients. Herein, we present an update of the systemic activity of RT and CT for HNC, with a focus on their toxicogenetic and toxicogenomic effects.

Relationship between B-Cell-specific moloney murine leukemia virus integration site 1 (BMI-1) and homologous recombination regulatory genes in invasive ductal breast carcinomas

B-cell-specific Moloney murine leukemia virus integration site 1 (Bmi-1) is a Polycomb group protein that is able to induce telomerase activity, enabling the immortalization of epithelial cells. Immortalized cells are more susceptible to double-strand breaks (DSB), which are subsequently repaired by homologous recombination (HR). BRCA1 is among the HR regulatory genes involved in the response to DNA damage associated with the RAD51 protein, which accumulates in DNA damage foci after signaling H2AX, another important marker of DNA damage. Topoisomerase III beta (topoIII beta) removes HR intermediates before chromosomal segregation, preventing damage to cellular DNA structure. In breast carcinomas positive for BMI-1 the role of proteins involved in HR remains to be investigated. The aim of this study was to evaluate the association between BMI-1 and homologous recombination proteins. Using tissue microarrays containing 239 cases of primary breast tumors, the expression of Bmi-1, BRCA-1, H2AX, Rad51, p53, Ki-67, topoIII beta, estrogen receptors (ER), progesterone receptors (PR), and HER-2 was analyzed by immunohistochemistry. We observed high Bmi-1 expression in 66 cases (27.6%). Immunohistochemical overexpression of BMI-1 was related to ER (p=0.004), PR (p<0.001), Ki-67 (p<0.001), p53 (p=0.003), BRCA1 (p=0.003), H2AX (p=0.024) and topoIII beta (p<0,001). Our results show a relationship between the expression of BMI-1 and HR regulatory genes, suggesting that Bmi-1 overexpression might be an important event in HR regulation. However, further studies are necessary to understand the mechanisms in which Bmi-1 could regulate HR pathways in invasive ductal breast carcinomas.

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

Shape resonance spectrum of cytosine-guanine pairs.

Single and double strand breaks in DNA can be caused by low-energy electrons, the most abundant secondary products of the interaction of ionizing radiation to the biological matter. Attachment of these electrons to biomolecules lead to the formation of transient negative ions (TNIs) [1], often referred to as resonances, a process that may lead to significant vibrational excitation and dissociation. In the present study, we employ the parallel version [2] of the Schwinger Multichannel Method implemented with pseudopotentials [3] to obtain the shape resonance spectrum of cytosine-guanine (CG) pairs, with special attention to π* transient anion states. Recent experimental studies pointed out a quasi-continuum vibrational excitation spectrum for electron collisions against formic acid dimers [4], suggesting that electron attachment into π* valence orbitals could induce proton transfer in these dimers. In addition, our previous studies on the shape resonance spectra of the hydrogen-bonded complexes comprising formic acid and formamide units indicated interesting electron delocalization (localization) effects arising from the presence (absence) of inversion symmetry centers in the complexes [5]. In the present work, we extend the studies on hydrogen-bonded complexes to the CG pair, where localization of ¼¤ anions would be expected, based on the previous results. References [1]. B. Boudaïffa, P. Cloutier, D. Hunting, M. A. Huels, L. Sanche, Science 287, 1658 (2000). [2]. J. S. dos Santos, R. F. da Costa , M. T. do N. Varella, J. Chem. Phys. 136, 084307 (2012). [3]. M. H. F. Bettega, L. G. Ferreira, M. A. P. Lima, Phys. Rev. A 47, 1111 (1993). [4]. M. Allan, Phys. Rev. Lett. 98, 123201 (2007). [5]. T. C. Freitas, S. dA. Sanchez, M. T. do N. Varella, M. H. F. Bettega, Phys. Rev. A 84, 062714 (2011).

Molecular basis of Osteoarthritis and aspects of cellular senescence in disease

The aim of this study is to investigate on some molecular mechanisms contributing to the pathogenesis of osteoarthritis (OA) and in particular to the senescence of articular chondrocytes. It is focused on understanding molecular events downstream GSK3β inactivation or dependent on the activity of IKKα, a kinase that does not belong to the phenotype of healthy articular chondrocytes. Moreover, the potential of some nutraceuticals on scavenging ROS thus reducing oxidative stress, DNA damage, and chondrocyte senescence has been evaluated in vitro. The in vitro LiCl-mediated GSK3β inactivation resulted in increased mitochondrial ROS production, that impacted on cellular proliferation, with S-phase transient arrest, increased SA-β gal and PAS staining, cell size and granularity. ROS are also responsible for the of increased expression of two major oxidative lesions, i.e. 1) double strand breaks, tagged by γH2AX, that associates with activation of GADD45β and p21, and 2) 8-oxo-dG adducts, that associate with increased IKKα and MMP-10 expression. The pattern observed in vitro was confirmed on cartilage from OA patients. IKKa dramatically affects the intensity of the DNA damage response induced by oxidative stress (H2O2 exposure) in chondrocytes, as evidenced by silencing strategies. At early time point an higher percentage of γH2AX positive cells and more foci in IKKa-KD cells are observed, but IKKa KD cells proved to almost completely recover after 24 hours respect to their controls. Telomere attrition is also reduced in IKKaKD. Finally MSH6 and MLH1 genes are up-regulated in IKKαKD cells but not in control cells. Hydroxytyrosol and Spermidine have a great ROS scavenging capacity in vitro. Both treatments revert the H2O2 dependent increase of cell death and γH2AX-foci formation and senescence, suggesting the ability of increasing cell homeostasis. These data indicate that nutraceuticals represent a great challenge in OA management, for both therapeutical and preventive purposes.

Untersuchungen zur Chemosensitivität von testikulären Tumorzellen gegenüber Cisplatin

Metastasierender Krebs ist bei Erwachsenen in der Regel nicht heilbar. Eine Ausnahme stellen testikuläre Keimzelltumoren (TKZT) dar, da über 75 % der Patienten mit fortgeschrittenen metastasierenden TKZT mit einer auf Cisplatin basierenden Kombinations-Chemotherapie geheilt werden können. Zelllinien, die aus TKZT isoliert wurden, behalten diese Cisplatin-Sensitivität in vitro bei. Somit spiegeln Testistumorzelllinien die klinische Situation wider und sind deswegen ein gutes Modellsystem um zu untersuchen, welche Faktoren der Cisplatin-Sensitivität zugrunde liegen. Die Ursachen der Cisplatin-Sensitivität in Testistumoren sind nicht bekannt. Es wurde bereits gezeigt, dass Testistumorzellen eine geringe Kapazität für die Entfernung von Cisplatin-induzierten DNA-Platinierungen aufweisen. Dieser Defekt in der DNA-Reparatur könnte ein Faktor für die beobachtete Cisplatin-Sensitivität sein. Cisplatin induziert sowohl Intrastrang-Vernetzungen als auch Interstrang-Vernetzungen (ICLs). Die Bildung und Reparatur der Cisplatin-induzierten Intrastrang-Vernetzungen wurde mittels DNA-Slot-Blot, die Bildung und Entfernung von Interstrang-Vernetzungen wurde mithilfe des Comet-Assays untersucht. In der vorliegenden Arbeit wurde gezeigt, dass die Reparatur von Intrastrang-Vernetzungen in Testis- und Blasentumorzelllinien vergleichbar ist. Somit sind Testistumorzellen in diesem Reparaturweg nicht beeinträchtigt. Im Unterschied dazu zeigte sich, dass Testistumorzellen die ICLs nicht oder nur mit einer reduzierten Kapazität entfernen können.Da die ICL-Reparatur über die Bildung von DNA-Doppelstrangbrüchen (DSB) mit anschließender DSB-Reparatur verläuft, wurde die Kinetik der DSB-Reparatur anhand der Immundetektion der Histon-Variante γH2AX, die zur Visualisierung von DSB verwendet wird, verfolgt. γH2AX Foci wurden nach Behandlung mit Cisplatin in Testistumorzellen und Blasentumorzellen gebildet. Anders als in Blasentumorzellen blieb der Prozentsatz an γH2AX-positiven Zellen in Testistumorzellen bestehen. Offensichtlich konnten die Testistumorzellen die Cisplatin-induzierten ICLs nicht korrekt prozessieren, was dazu führte, dass γH2AX Foci persistierten. Da unreparierte DNA-Läsionen eine DNA-schadensabhängige Antwort einleiten können, wurde die Aktivierung der Hauptfaktoren dieser Signalwege untersucht. In den Testistumorzellen zeigte sich eine Erhöhung der p53 Proteinmenge nach Cisplatin-Behandlung. Des Weiteren wurde die durch Cisplatin induzierte Aktivierung von ATM/ATR, Chk1/Chk2, Bax und Noxa in Testis- und Blasentumorzellen vergleichend untersucht. Es wurde bereits gezeigt, dass der Reparaturfaktor ERCC1-XPF in Testistumorzelllinien reduziert vorliegt. Um eine mögliche Rolle von ERCC1-XPF für die Reparatur-Defizienz der ICLs und Cisplatin-Sensitivität in Testistumorzellen zu analysieren, wurde ERCC1-XPF in der Testistumorenzelllinie 833K mithilfe eines Expressionsvektors überexprimiert, und der Einfluss von ERCC1-XPF auf ICL-Reparatur sowie Cisplatin-Sensitivität wurde ermittelt. Überexpression von ERCC1-XPF führte zur Reparatur der ICLs in 833K-Zellen und verminderte die Cisplatinsensitivität. Somit scheint die Cisplatinsensitivität der Testistumorzellen, zumindest zum Teil, auf einer verminderten ICL-Reparatur zu beruhen. Des Weiteren wurde in „proof of principle“ Experimenten ERCC1-XPF in der Cisplatin-resistenten Blasentumorzelllinie MGH-U1 mittels siRNA herunterreguliert, und die Auswirkung der Herunterregulation auf die ICL-Reparatur und die Cisplatinsensitivität wurde geprüft. RNA-Interferenz-vermittelte Herunterregulierung von ERCC1-XPF reduzierte die Prozessierung der Cisplatin-induzierten ICLs und verstärkte die Cisplatinsensitivität in MGH-U1 Zellen. Somit wurde in dieser Arbeit zum ersten Mal gezeigt, dass die Testistumorzellen in Vergleich zu Blasentumorzellen in der Reparatur von ICLs defizient sind, wobei die verminderte ICL-Reparatur auf die geringe Expression von ERCC1-XPF zurückgeführt werden konnte. Diese ICL-Reparatur-Defizienz könnte, zumindest zu einem Teil, für die Sensitivität der Testistumoren gegenüber Cisplatin verantwortlich sein.

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

Assembling Multiporphyrin Stacks Inside the DNA Double Helix

Double stranded DNA hybrids containing up to four consecutive, face-to-face stacked porphyrins are described. Non-nucleosidic, 5,15-bisphenyl-substituted porphyrin building blocks were incorporated into complementary oligonucleotide strands. Upon hybridization multiple porphyrins are well accommodated inside the DNA scaffold without disturbing the overall B-DNA structure. The formation of double strands containing up to four free base porphyrins is enabled without compromising duplex stability. UV/vis, fluorescence, and CD spectroscopy demonstrate the formation of porphyrins H-aggregates inside the DNA double helix and provide evidence for the existence of strong excitonic coupling between interstrand stacked porphyrins. H-aggregation results in considerable fluorescence quenching. Most intense CD effects are observed in stacks containing four porphyrins. The findings demonstrate the value of DNA for the controlled formation of molecularly defined porphyrin aggregates.

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

Design, synthesis and cellular and molecular pharmacology of 2$\sp\prime$-bromo-4$\sp\prime$-epidaunorubicin (WP401): A novel non-cross-resistant anthracycline antibiotic with the intrinsic ability to circumvent P -glycoprotein-mediated drug resistance

We designed and synthesized a novel daunorubicin (DNR) analogue that effectively circumvents P-glycoprotein (P-gp)-mediated drug resistance. The fully protected carbohydrate intermediate 1,2-dibromoacosamine was prepared from acosamine and effectively coupled to daunomycinone in high yield. Deprotection under alkaline conditions yielded 2$\sp\prime$-bromo-4$\sp\prime$-epidaunorubicin (WP401). The in vitro cytotoxicity and cellular and molecular pharmacology of WP401 were compared with those of DNR in a panel of wild-type cell lines (KB-3-1, P388S, and HL60S) and their multidrug-resistant (MDR) counterparts (KB-V1, P388/DOX, and HL60/DOX). Fluorescent spectrophotometry, flow cytometry, and confocal laser scanning microscopy were used to measure intracellular accumulation, retention, and subcellular distribution of these agents. All MDR cell lines exhibited reduced DNR uptake that was restored, upon incubation with either verapamil (VER) or cyclosporin A (CSA), to the level found in sensitive cell lines. In contrast, the uptake of WP401 was essentially the same in the absence or presence of VER or CSA in all tested cell lines. The in vitro cytotoxicity of WP401 was similar to that of DNR in the sensitive cell lines but significantly higher in resistant cell lines (resistance index (RI) of 2-6 for WP401 vs 75-85 for DNR). To ascertain whether drug-mediated cytotoxicity and retention were accompanied by DNA strand breaks, DNA single- and double-strand breaks were assessed by alkaline elution. High levels of such breaks were obtained using 0.1-2 $\mu$g/mL of WP401 in both sensitive and resistant cells. In contrast, DNR caused strand breaks only in sensitive cells and not much in resistant cells. We also compared drug-induced DNA fragmentation similar to that induced by DNR. However, in P-gp-positive cells, WP401 induced 2- to 5-fold more DNA fragmentation than DNR. This increased DNA strand breakage by WP401 was correlated with its increased uptake and cytotoxicity in these cell lines. Overall these results indicate that WP401 is more cytotoxic than DNR in MDR cells and that this phenomenon might be related to the reduced basicity of the amino group and increased lipophilicity of WP401. ^

KARP-1 is induced by DNA damage in a p53- and ataxia telangiectasia mutated-dependent fashion

The KARP-1 (Ku86 Autoantigen Related Protein-1) gene, which is expressed from the human Ku86 autoantigen locus, appears to play a role in mammalian DNA double-strand break repair as a regulator of the DNA-dependent protein kinase complex. Here we demonstrate that KARP-1 gene expression is significantly up-regulated following exposure of cells to DNA damage. KARP-1 mRNA induction was completely dependent on the ataxia telangiectasia and p53 gene products, consistent with the presence of a p53 binding site within the second intron of the KARP-1 locus. These observations link ataxia telangiectasia, p53, and KARP-1 in a common pathway.

Replicative helicases can translocate through abasic site-induced covalent topoisomerase IV–DNA complexes

Some topoisomerase inhibitors trap covalent topoisomerase–DNA complexes as topoisomerase–drug–DNA ternary complexes. Ternary complex formation results in inhibition of DNA replication and generation of permanent double-strand breaks. Recent demonstrations of the stimulation of covalent topoisomerase–DNA complex formation by DNA lesions suggest that DNA damage may act as an endogenous topoisomerase poison. We have investigated the effects of abasic (AP) sites on topoisomerase IV (Topo IV). AP sites can stimulate the formation of covalent Topo IV–DNA complexes when they are located either within the 4 base overhang generated by DNA scission or immediately 5′ to the point of scission (the –1 position). Thus, the AP site acts as a position-specific, endogenous topoisomerase poison. Both EDTA and salt can reverse covalent Topo IV–DNA complexes induced by AP sites located within the 4 base overhang. Interestingly, an AP site at the –1 position inhibits EDTA-mediated reversal of formation of the covalent Topo IV–DNA complex. Furthermore, we find that, unlike quinolone-induced covalent Topo IV–DNA complexes, AP site-induced covalent Topo IV–DNA complexes do not inhibit the helicase activities of the DnaB and T7 Gene 4 proteins. These results suggest that the AP site-induced poisoning of Topo IV does not arrest replication fork progression.

UV-induced Hyperphosphorylation of Replication Protein A Depends on DNA Replication and Expression of ATM Protein

Exposure to DNA-damaging agents triggers signal transduction pathways that are thought to play a role in maintenance of genomic stability. A key protein in the cellular processes of nucleotide excision repair, DNA recombination, and DNA double-strand break repair is the single-stranded DNA binding protein, RPA. We showed previously that the p34 subunit of RPA becomes hyperphosphorylated as a delayed response (4–8 h) to UV radiation (10–30 J/m2). Here we show that UV-induced RPA-p34 hyperphosphorylation depends on expression of ATM, the product of the gene mutated in the human genetic disorder ataxia telangiectasia (A-T). UV-induced RPA-p34 hyperphosphorylation was not observed in A-T cells, but this response was restored by ATM expression. Furthermore, purified ATM kinase phosphorylates the p34 subunit of RPA complex in vitro at many of the same sites that are phosphorylated in vivo after UV radiation. Induction of this DNA damage response was also dependent on DNA replication; inhibition of DNA replication by aphidicolin prevented induction of RPA-p34 hyperphosphorylation by UV radiation. We postulate that this pathway is triggered by the accumulation of aberrant DNA replication intermediates, resulting from DNA replication fork blockage by UV photoproducts. Further, we suggest that RPA-p34 is hyperphosphorylated as a participant in the recombinational postreplication repair of these replication products. Successful resolution of these replication intermediates reduces the accumulation of chromosomal aberrations that would otherwise occur as a consequence of UV radiation.