Untersuchungen zum Einfluss des HMG-CoA-Reduktase-Inhibitors Lovastatin auf die Toxizität ionisierender Strahlung sowie des Anthrazyklinderivats Doxorubicin im Mausmodell

Hintergund: HMG-CoA-Reduktase-Inhibitoren (Statine) sind klinisch etablierte Cholesterinsenker. Über die Inhibition der intrinsischen Cholesterinbiosynthese hinaus zeigen sie sogenannte pleiotrope biologische Effekte. Ein Großteil dieser Wirkungen wird auf die Inhibition kleiner Ras homologer GTPasen (Rho GTPasen) zurückgeführt. In vitro schützt das Statinderivat Lovastatin (Lova) primäre humane Endothelzellen vor der Zytotoxizität von ionisierender Strahlung (IR) und dem Krebsmedikament Doxorubicin (Doxo). Zielsetzung: Die Relevanz dieser Befunde für ein in vivo Mausmodell sollte in der vorliegenden Arbeit überprüft werden. Dafür wurden BALB/c-Mäuse mit IR oder Doxo behandelt und der Einfluss einer Kobehandlung mit Lova auf verschiedene Toxizitätsendpunkte untersucht (24 h nach einer einzelnen hohen Dosis IR (i), 14 Tage nach zwei geringen Dosen IR (ii), 48 h nach einer einzelnen hohen Dosis Doxo (iii), sowie 8 Tage nach drei niedrigen Dosen Doxo (iv)). Eine mögliche gleichzeitige Protektion von Tumorzellen durch die Statingabe wurde in einem Xenotransplantationsexperiment überprüft (v), in dem das gleiche Behandlungsschema wie bei iv angewendet wurde. Ergebnisse: Es konnte gezeigt werden, dass eine Statinbehandlung Normalgewebe vor Doxo- und IR-induzierter Toxizität schützt, ohne gleichzeitig protektiv auf transformierte Zellen zu wirken. Dieser Effekt ist wahrscheinlich von einer Inhibition der kleinen GTPasen Rac1 und RhoA abhängig und einer daraus folgenden Modifizierung der DNA-Schadensantwort. i: Die Statinvorbehandlung der Mäuse hatte keinen Einfluss auf die Bildung von initialen IR-induzierten DNA-Doppelstrangbrüchen (DSB) in der Leber. Die Lova-Behandlung wirkte sich jedoch auf IR-induzierte Stressantworten aus, was sich in einer Minderung der Expression von Inflammations- und Fibrosesurrogatmarkern in Leber und Darm widerspiegelte. ii: In der Lunge der Tiere wurde ein Anstieg von molekularen Inflammations- und Fibrosesurrogatmarkern detektiert, der bei Statinkobehandlung ausblieb. Zudem verhinderte die Kobehandlung mit Lova eine IR-induzierte Abnahme der Thrombozytenzahl, ohne sich auf die durch IR verringerte Leukozytenzahl im Blut auszuwirken. iii: Die Verabreichung einer hohen Dosis Doxo induzierte DSB-Formation in der Leber. Die Statinvorbehandlung reduzierte deren Menge um ca. 50 %. Dieser genoprotektive Effekt war unabhängig von der Entstehung reaktiver Sauerstoffspezies sowie einer Änderung des Doxo-Imports oder Exports. Die Expression von proinflammatorischen und profibrotischen Genen fiel besonders in der Leber und im Herzen durch die Lova-Kobehandlung geringer aus, als in der nur mit Doxo behandelten Gruppe. Zudem verringerte Lova die durch Doxo induzierte Hochregulation von für den AP1-Komplex kodierenden Genen sowie von Zellzykluskontrollfaktoren. Die Lova-Vorbehandlung führte darüber hinaus im Herzen zu einem reduzierten mRNA-Spiegel der Topoisomerasen II α und β. iv: Es konnten schwere Herz- und Leberschäden detektiert werden (gemessen an Gldh-, Gpt- sowie cTn-I-Serumkonzentrationen), die bei einer Kobehandlung mit dem Statin nicht auftraten. Die Lova-Kobehandlung verhinderte außerdem eine durch die Doxo-Behandlung verringerte Leukozytenzahl. Molekulare Marker für frühe fibrotische Ereignisse, sowie für Inflammation und Hypertrophie waren in der Leber und im Herzen nach der Doxo-Behandlung erhöht. Das Statin war auch hier in der Lage, diese toxischen Wirkungen des Anthrazyklins zu mindern. Auch die Doxo-induzierte Expression von Surrogatmarkern für Zellantworten auf oxidativen Stress wurde in der Leber abgeschwächt. In der Leber und im Herzen wiesen die mit Doxo behandelten Tiere höhere mRNA Spiegel von an Zellzykluskontrolle beteiligten Faktoren sowie von DNA-Reparatur und Fremdstoffmetabolismus assoziierten Genen auf. Am stärksten wurde die Expression von Topoisomerase II alpha - ein molekularer Marker für Zellproliferation und bedeutsame Zielstruktur von Doxo - in der Leber hochreguliert. Die Statin-Kobehandlung verhinderte all diese Doxo-induzierten Expressionsänderungen. Im Gegensatz zur Leber wurde die Top2a-mRNA Menge im Herzen durch die Doxo-Applikation reduziert. Auch hier bewirkte die Kobehandlung mit dem Statin, dass die Expression nahe dem Kontrollniveau blieb. v: Die Kobehandlung mit Lova führte zu keinem Schutz der Tumorzellen vor Doxo, sondern erhöhte sogar dessen antineoplastisches Potential.rnFazit: Die Erkenntnisse aus vorhergegangenen in vitro Versuchen konnten zum großen Teil auf die in vivo Situation im Mausmodell übertragen werden. Sie stehen im Einklang mit Ergebnissen anderer Gruppen, welche die Inhibition kleiner GTPasen mit einer geringeren, durch zytotoxische Substanzen induzierten, Inflammation und Fibrose korrelieren konnten. Eine Kobehandlung mit Lova während einer Krebstherapie erscheint somit als vielversprechende Möglichkeit Doxo- oder IR-induzierte Nebenwirkungen auf Normalgewebe zu mildern.

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

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

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

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

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

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

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

Modulating bioreductive drug activity with antivascular agents

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

Reactivity of hexanuclear ruthenium metallaprisms towards nucleotides and a DNA decamer

The reactivity of three hexacationic arene ruthenium metallaprisms towards isolated nucleotides and a short DNA strand was investigated using NMR spectroscopy, ESI mass spectrometry, UV/Vis and circular dichroism spectroscopy. The metallaprism built from oxalato-bridging ligands reacts rapidly in the presence of deoxyguanosine monophosphate (dGMP) and deoxyadenosine monophosphate, while the benzoquinonato derivative only reacts with dGMP. On the other hand, the larger metallaprism incorporating naphtoquinonato bridges remains stable in the presence of nucleotides. The reactivity of the three hexacationic metallaprisms with the decameric oligonucleotide d(CGCGATCGCG)2 was also investigated. Analysis of the NMR, MS, UV/Vis and CD data suggests that no adducts are formed between the oligonucleotide and the metallaprisms, but electrostatic interactions, leading to partial unwinding of the double-stranded oligonucleotide, were evidenced

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

RNA polymerase II large subunit degradation induced by ecteinascidin 743: Molecular characterization and subsequent rational investigation of antitumor mechanisms in cancers with clinical response

Ecteinascidin 743 (Et-743), which is a novel DNA minor groove alkylator with a unique spectrum of antitumor activity, is currently being evaluated in phase II/III clinical trials. Although the precise molecular mechanisms responsible for the observed antitumor activity are poorly understood, recent data suggests that post-translational modifications of RNA polymerase II Large Subunit (RNAPII LS) may play a central role in the cellular response to this promising anticancer agent. The stalling of an actively transcribing RNAPII LS at Et-743-DNA adducts is the initial cellular signal for transcription-coupled nucleotide excision repair (TC-NER). In this manner, Et-743 poisons TC-NER and produces DNA single strand breaks. Et-743 also inhibits the transcription and RNAPII LS-mediated expression of selected genes. Because the poisoning of TC-NER and transcription inhibition are critical components of the molecular response to Et-743 treatment, we have investigated if changes in RNAPII LS contribute to the disruption of these two cellular pathways. In addition, we have studied changes in RNAPII LS in two tumors for which clinical responses were reported in phase I/II clinical trials: renal cell carcinoma and Ewing's sarcoma. Our results demonstrate that Et-743 induces degradation of the RNAPII LS that is dependent on active transcription, a functional 26S proteasome, and requires functional TC-NER, but not global genome repair. Additionally, we have provided the first experimental data indicating that degradation of RNAPII LS might lead to the inhibition of activated gene transcription. A set of studies performed in isogenic renal carcinoma cells deficient in von Hippel-Lindau protein, which is a ubiquitin-E3-ligase for RNAPII LS, confirmed the central role of RNAPII LS degradation in the sensitivity to Et-743. Finally, we have shown that RNAPII LS is also degraded in Ewing's sarcoma tumors following Et-743 treatment and provide data to suggest that this event plays a role in decreased expression of the Ewing's sarcoma oncoprotein, EWS-Fli1. Altogether, these data implicate degradation of RNAPII LS as a critical event following Et-743 exposure and suggest that the clinical activity observed in renal carcinoma and Ewing's sarcoma may be mediated by disruption of molecular pathways requiring a fully functional RNAPII LS. ^

The mechanism of action of a novel benzo[c]phenanthridine alkaloid, NK314 and the cellular responses

NK314 is a novel synthetic benzo[c]phenanthridine alkaloid that is currently in clinical trials as an antitumor compound, based on impressive activities in preclinical models. However, its mechanism of action is unknown. The present investigations were directed at determining the mechanism of action of this agent and cellular responses to NK314. My studies demonstrated that NK314 intercalated into DNA, trapped topoisomerase IIα in its cleavage complex intermediate, and inhibited the ability of topoisomerase IIα to relax super-coiled DNA. CEM/VM1 cells, which are resistant to etoposide due to mutations in topoisomerase IIα, were cross-resistant to NK314. However, CEM/C2 cells, which are resistant to camptothecin due to mutations in topoisomerase I, retained sensitivity. This indicates topoisomerase IIα is the target of NK314 in the cells. NK314 caused phosphorylation of the histone variant, H2AX, which is considered a marker of DNA double-strand breaks. DNA double-strand breaks were also evidenced by pulsed-field gel electrophoresis and visualized as chromosomal aberrations after cells were treated with NK314 and arrested in mitosis. Cell cycle checkpoints are activated following DNA damage. NK314 induced significant G2 cell cycle arrest in several cell lines, independent of p53 status, suggesting the existence of a common mechanism of checkpoint activation. The Chk1-Cdc25C-Cdk1 G2 checkpoint pathway was activated in response to NK314, which can be abrogated by the Chk1 inhibitor UCN-01. Cell cycle checkpoint activation may be a defensive mechanism that provides time for DNA repair. DNA double-strand breaks are repaired either through ATM-mediated homologous recombination or DNA-PK-mediated non-homologous end-joining repair pathways. Clonogenic assays demonstrated a significant decrease of colony formation in both ATM deficient and DNA-PK deficient cells compared to ATM repleted and DNA-PK wild type cells respectively, indicating that both ATM and DNA-PK play important roles in the survival of the cells in response to NK314. The DNA-PK specific inhibitor NU7441 also significantly sensitized cells to NK314. In conclusion, the major mechanism of NK314 is to intercalate into DNA, trap and inhibit topoisomerase IIα, an action that leads to the generation of double-strand DNA breaks, which activate ATM and DNA-PK mediated DNA repair pathways and Chk1 mediated G2 checkpoint pathway. ^

A role for p53 in sensing DNA damage and triggering apoptotic responses to anticancer agents

The p53 tumor suppressor protein plays a major role in cellular responses to anticancer agents that target DNA. DNA damage triggers the accumulation of p53, resulting in the transactivation of genes, which induce cell cycle arrest to allow for repair of the damaged DNA, or signal apoptosis. The exact role that p53 plays in sensing DNA damage and the functional consequences remain to be investigated. The main goal of this project was to determine if p53 is directly involved in sensing DNA damage induced by anticancer agents and in mediating down-stream cellular responses. This was tested in two experimental models of DNA damage: (1) DNA strand termination caused by anticancer nucleoside analogs and (2) oxidative DNA damage induced by reactive oxygen species (ROS). Mobility shift assays demonstrated that p53 and DNA-PK/Ku form a complex that binds DNA containing the anticancer nucleoside analog gemcitabine monophosphate in vitro. Binding of the p53-DNA-PK/Ku complex to the analog-containing DNA inhibited DNA strand elongation. Furthermore, treatment of cells with gemcitabine resulted in the induction of apoptosis, which was associated with the accumulation of p53 protein, its phosphorylation, and nuclear localization, suggesting the activation of p53 to trigger apoptosis following gemcitabine induced DNA strand termination. The role of p53 as a DNA damage sensor was further demonstrated in response to oxidative DNA damage. Protein pull-down assays demonstrated that p53 complexes with OGG1 and APE, and binds DNA containing the oxidized DNA base 8-oxoG. Importantly, p53 enhances the activities of APE and OGG1 in excising the 8-oxoG residue as shown by functional assays in vitro. This correlated with the more rapid removal of 8-oxoG from DNA in intact cells with wild-type p53 exposed to exogenous ROS stress. Interestingly, persistent exposure to ROS resulted in the accelerated onset of apoptosis in cells with wild-type p53 when compared to isogenic cells lacking p53. Apoptosis in p53+/+ cells was associated with accumulation and phosphorylation of p53 and its nuclear localization. Taken together, these results indicate that p53 plays a key role in sensing DNA damage induced by anticancer nucleoside analogs and ROS, and in triggering down-stream apoptotic responses. This study provides new mechanistic insights into the functions of p53 in cellular responses to anticancer agents. ^

Loss of heterozygosity induced by a chromosomal double-strand break

The repair of chromosomal double-strand breaks (DSBs) is necessary for genomic integrity in all organisms. Genetic consequences of misrepair include chromosomal loss, deletion, and duplication resulting in loss of heterozygosity (LOH), a common finding in human solid tumors. Although work with radiation-sensitive cell lines suggests that mammalian cells primarily rejoin DSBs by nonhomologous mechanisms, alternative mechanisms that are implicated in chromosomal LOH, such as allelic recombination, may also occur. We have examined chromosomal DSB repair between homologs in a gene targeted mammalian cell line at the retinoblastoma (Rb) locus. We have found that allelic recombinational repair occurs in mammalian cells and is increased at least two orders of magnitude by the induction of a chromosomal DSB. One consequence of allelic recombination is LOH at the Rb locus. Some of the repair events also resulted in other types of genetic instability, including deletions and duplications. We speculate that mammalian cells may have developed efficient nonhomologous DSB repair processes to bypass allelic recombination and the potential for reduction to homozygosity.

Specific cleavage of chromosomal and plasmid DNA strands in gram-positive and gram-negative bacteria can be detected with nucleotide resolution

A sensitive and precise in vitro technique for detecting DNA strand discontinuities produced in vivo has been developed. The procedure, a form of runoff DNA synthesis on molecules released from lysed bacterial cells, mapped precisely the position of cleavage of the plasmid pMV158 leading strand origin in Streptococcus pneumoniae and the site of strand scission, nic, at the transfer origins of F and the F-like plasmid R1 in Escherichia coli. When high frequency of recombination strains of E. coli were examined, DNA strand discontinuities at the nic positions of the chromosomally integrated fertility factors were also observed. Detection of DNA strand scission at the nic position of F DNA in the high frequency of recombination strains, as well as in the episomal factors, was dependent on sexual expression from the transmissable element, but was independent of mating. These results imply that not only the transfer origins of extrachromosomal F and F-like fertility factors, but also the origins of stably integrated copies of these plasmids, are subject to an equilibrium of cleavage and ligation in vivo in the absence of DNA transfer.

λ Rap protein is a structure-specific endonuclease involved in phage recombination

Bacteriophage λ encodes a number of genes involved in the recombinational repair of DNA double-strand breaks. The product of one of these genes, rap, has been purified. Truncated Rap proteins that copurify with the full-length form are derived, at least in part, from a ρ-dependent transcription terminator located within its coding sequence. Full-length and certain truncated Rap polypeptides bind preferentially to branched DNA substrates, including synthetic Holliday junctions and D-loops. In the presence of manganese ions, Rap acts as an endonuclease that cleaves at the branch point of Holliday and D-loop substrates. It shows no obvious sequence preference or symmetry of cleavage on a Holliday junction. The biochemical analysis of Rap gives an insight into how recombinants could be generated by the nicking of a D-loop without the formation of a classical Holliday junction.