The inhibition of aerobic glycolysis as a therapeutic approach to improve cancer chemotherapy

The aim of the research project discussed in this thesis was to study the inhibition of aerobic glycolysis, that is the metabolic pathway exploited by cancer cells for the ATP generation. This observation has led to the evaluation of glycolytic inhibitors as potential anticancer agents. Lactate dehydrogenase (LDH) is the only enzyme whose inhibition should allow a blocking of aerobic glycolysis of tumor cells without damaging the normal cells which, in conditions of normal functional activity and sufficient oxygen supply, do not need this enzyme. In preliminar experiments we demonstrated that oxamic acid and tartronic acid, two LDH competitive inhibitors, impaired aerobic glycolysis and replication of cells from human hepatocellular carcinoma. Therefore, we proposed that the depletion of ATP levels in neoplastic cells, could improved the chemotherapeutic index of associated anticancer drugs; in particular, it was studied the association of oxamic acid and multi-targeted kinase inhibitors. A synergistic effect in combination with sorafenib was observed, and we demonstrated that this was related to the capacity of sorafenib to hinder the oxidative phosphorylation, so that cells were more dependent to aerobic glycolysis. These results linked to LDH blockage encouraged us to search for LDH inhibitors more powerful than oxamic acid; thus, in collaboration with the Department of Pharmaceutical Sciences of Bologna University we identified a new molecule, galloflavin, able to inhibit both A and B isoforms of LDH enzyme. The effects of galloflavin were studied on different human cancer cell lines (hepatocellular carcinoma, breast cancer, Burkitt’s lymphoma). Although exhibiting different power on the tested cell lines, galloflavin was constantly found to inhibit lactate and ATP production and to induce cell death, mainly in the form of apoptosis. Finally, as LDH-A is able to bind single stranded DNA, thus stimulating cell transcription, galloflavin effects were also studied on this other LDH function.

Mechanismen der Resistenz und Sensitivierung von menschlichen malignen Melanomzellen gegenüber DNA-alkylierenden Zytostatika

Das metastasierende maligne Melanom ist durch eine geringe p53-Mutations-Rate und eine hohe Resistenz gegenüber Chemotherapie mit alkylierenden Agenzien wie Fotemustin (FM) und Temozolomid (TMZ) gekennzeichnet. In der vorliegenden Arbeit wurde die Rolle von p53 in der Resistenz von malignen Melanomzellen gegenüber FM untersucht und Möglichkeiten zur Sensitivierung von Melanomzellen gegenüber TMZ und FM aufgezeigt.rnAusgangspunkt war die Beobachtung, dass p53 Wildtyp (p53wt) Melanomzellen resistenter gegenüber FM sind als p53 mutierte (p53mt) Zellen. In der vorliegenden Arbeit wurde gezeigt, dass eine FM-Behandlung in p53wt Zellen eine Stabilisierung von p53 und eine Induktion des p53-Zielproteins p21 bewirkte. Mithilfe einer p53wt Zelllinie, welche einen p53 Knockdown trägt, konnte gezeigt werden, dass p53 für die geringe Apoptose-Rate nach FM-Behandlung verantwortlich ist. Eine Untersuchung der Interstrang-Crosslink (ICL)-Reparaturkapazität zeigte, dass p53mt Zellen im Gegensatz zu p53wt Zellen nicht in der Lage sind, FM-induzierte ICL zu reparieren. Dies ging mit einer im Vergleich zu p53wt Zellen starken DNA-Schadensantwort einher. Die Gene für die Proteine DDB2 und XPC wurden als durch FM regulierte DNA-Reparatur-Gene identifiziert, deren Induktion p53-abhängig und lang anhaltend (bis zu 144 h) erfolgt. Da XPC Knockdown-Zellen sensitiver als ihre Kontrollzellen gegenüber FM reagierten, konnte die biologische Relevanz von XPC bei der ICL-Reparatur bestätigt werden. Anhand von Xenograft-Tumoren wurde gezeigt, dass FM auch in situ eine Induktion von DDB2 und XPC auslöst. Die Beobachtung, dass DNA-Reparatur-Gene nach FM-Behandlung hochreguliert werden, liefert eine Erklärung für das schlechte Ansprechen von Melanomen auf eine Therapie mit ICL-induzierenden Chemotherapeutika.rnDes Weiteren befasste sich die vorliegende Arbeit mit Möglichkeiten zur Sensitivierung von Melanomzellen gegenüber den Chemotherapeutika TMZ und FM. In diesem Zusammenhang wurde Valproinsäure (VPA), ein in der Epilepsie-Therapie verwendetes Medikament und Histondesacetylase (HDAC)-Hemmer, bezüglich der chemosensitivierenden Wirkung untersucht. Zunächst konnte der in der Literatur häufig beschriebene stabilisierende Effekt von VPA auf „wildtypisches“ p53-Protein und destabilisierende Effekt auf mutiertes p53-Protein bestätigt werden. Zwei der vier untersuchten Zelllinien konnten mithilfe von VPA gegenüber TMZ sensitiviert werden, während nur eine der vier untersuchten Zelllinien gegenüber FM sensitiviert werden konnte. VPA begünstigt die Induktion von Apoptose, während der Effekt auf die Induktion von Nekrose nur gering ausfiel. Eine Wirkung von VPA auf die Aktivität des Resistenz-vermittelnden Enzyms O6-Methylguanin-DNA-Methyltransferase (MGMT) wurde nicht beobachtet. Zudem wurde ausgeschlossen, dass die Sensitivierung gegenüber TMZ und FM, welche S-Phase abhängige Gentoxine sind, auf einer VPA-induzierten Erhöhung der Proliferation beruht. Mithilfe einer Zelllinie, welche stabil dominant-negatives FADD (Fas-associated death domain) exprimiert, konnten keine Hinweise auf eine Beteiligung des extrinsischen Apoptose-Signalwegs an der VPA-vermittelten Sensitivierung gewonnen werden. Gleichzeitig wurde gezeigt, dass VPA keine Induktion der niedrig exprimierten Procaspase-8 verursachte. Mithilfe eines PCR-Arrays wurden transaktivierende und –reprimierende Effekte von VPA auf die Genexpression gezeigt, wobei das proapoptotische Protein BAX (Breakpoint cluster-2-associated x protein) als ein in der Sensitivierung involviertes Kandidatengen identifiziert wurde. Obwohl eine vollständige Aufklärung der dem Sensitivierungseffekt von VPA zu Grunde liegenden Mechanismen nicht erbracht werden konnte, zeigen die in dieser Arbeit erlangten Beobachtungen einen vielversprechenden Weg zur Überwindung der Resistenz von Melanomzellen gegenüber DNA-alkylierenden Zytostatika auf.rn

Mechanistic study of cell death induction by O 6-methylating agents, focusing on the role of homologous recombination as a molecular target for sensitization of tumor cells to chemotherapeutic alkylating agents

Chemotherapeutic SN1‑methylating agents are important anticancer drugs. They induce several covalent modifications in the DNA, from which O6‑methylguanine (O6MeG) is the main toxic lesion. In this work, different hypotheses that have been proposed to explain the mechanism of O6MeG‑triggered cell death were tested. The results of this work support the abortive processing model, which states that abortive post‑replicative processing of O6MeG‑driven mispairs by the DNA mismatch repair (MMR) machinery results in single‑strand gaps in the DNA that, upon a 2nd round of DNA replication, leads to DNA double‑strand break (DSB) formation, checkpoint activation and cell death. In this work, it was shown that O6MeG induces an accumulation of cells in the 2nd G2/M‑phase after treatment. This was accompanied by an increase in DSB formation in the 2nd S/G2/M‑phase, and paralleled by activation of the checkpoint kinases ATR and CHK1. Apoptosis was activated in the 2nd cell cycle. A portion of cells continue proliferating past the 2nd cell cycle, and triggers apoptosis in the subsequent generations. An extension to the original model is proposed, where the persistence of O6MeG in the DNA causes new abortive MMR processing in the 2nd and subsequent generations, where new DSB are produced triggering cell death. Interestingly, removal of O6MeG beyond the 2nd generation lead to a significant, but not complete, reduction in apoptosis, pointing to the involvement of additional mechanisms as a cause of apoptosis. We therefore propose that an increase in genomic instability resulting from accumulation of mis‑repaired DNA damage plays a role in cell death induction. Given the central role of DSB formation in toxicity triggered by chemotherapeutic SN1‑alkylating agents, it was aimed in the second part of this thesis to determine whether inhibition of DSB repair by homologous recombination (HR) or non‑homologous end joining (NHEJ) is a reasonable strategy for sensitizing glioblastoma cells to these agents. The results of this work show that HR down‑regulation in glioblastoma cells impairs the repair of temozolomide (TMZ)‑induced DSB. HR down‑regulation greatly sensitizes cells to cell death following O6‑methylating (TMZ) or O6‑chlorethylating (nimustine) treatment, but not following ionizing radiation. The RNAi mediated inhibition in DSB repair and chemo‑sensitization was proportional to the knockdown of the HR protein RAD51. Chemo‑sensitization was demonstrated for several HR proteins, in glioma cell lines proficient and mutated in p53. Evidence is provided showing that O6MeG is the primary lesion responsible for the increased sensitivity of glioblastoma cells following TMZ treatment, and that inhibition of the resistance marker MGMT restores the chemo‑sensitization achieved by HR down‑regulation. Data are also provided to show that inhibition of DNA‑PK dependent NHEJ does not significantly sensitized glioblastoma cells to TMZ treatment. Finally, the data also show that PARP inhibition with olaparib additionally sensitized HR down‑regulated glioma cells to TMZ. Collectively, the data show that processing of O6MeG through two rounds of DNA replication is required for DSB formation, checkpoint activation and apoptosis induction, and that O6MeG‑triggered apoptosis is also executed in subsequent generations. Furthermore, the data provide proof of principle evidence that down‑regulation of HR is a reasonable strategy for sensitizing glioma cells to killing by O6‑alkylating chemotherapeutics.

Design and Synthesis of Naphthalene Diimides Based Small Molecules as Anticancer Agents: Targeting the Polyamine Transporter, G-quadruplex Structures and HDAC

Cancer is a multifactorial disease characterized by a very complex etiology. Basing on its complex nature, a promising therapeutic strategy could be based by the “Multi-Target-Directed Ligand” (MTDL) approach, based on the assumption that a single molecule could hit several targets responsible for the pathology. Several agents acting on DNA are clinically used, but the severe deriving side effects limit their therapeutic application. G-quadruplex structures are DNA secondary structures located in key zones of human genome; targeting quadruplex structures could allow obtaining an anticancer therapy more free from side effects. In the last years it has been proved that epigenetic modulation can control the expression of human genes, playing a crucial role in carcinogenesis and, in particular, an abnormal expression of histone deacetylase enzymes are related to tumor onset and progression. This thesis deals with the design and synthesis of new naphthalene diimide (NDI) derivatives endowed with anticancer activity, interacting with DNA together with other targets implicated in cancer development, such as HDACs. NDI-polyamine and NDI-polyamine-hydroxamic acid conjugates have been designed with the aim to provide potential MTDLs, in order to create molecules able simultaneously to interact with different targets involved in this pathology, specifically the G-quadruplex structures and HDAC, and to exploit the polyamine transport system to get selectively into cancer cells. Macrocyclic NDIs have been designed with the aim to improve the quadruplex targeting profile of the disubstituted NDIs. These compounds proved the ability to induce a high and selective stabilization of the quadruplex structures, together with cytotoxic activities in the micromolar range. Finally, trisubstituted NDIs have been developed as G-quadruplex-binders, potentially effective against pancreatic adenocarcinoma. In conclusion, all these studies may represent a promising starting point for the development of new interesting molecules useful for the treatment of cancer, underlining the versatility of the NDI scaffold.

Polykation-DNA-Komplexe : Eigenschaften und Anwendung in der Gentransfektion

Polykationen bilden mit DNA spontan Komplexe. Triebkraft ist der Entropiegewinn durch Freisetzung der Gegenionen auf den Polyelektrolyten. Solche Komplexe können in der Gentechnik verwendet werden, um fremde DNA in eine Zelle einzuschleusen. Dies bezeichnet man als Gentransfektion. In dieser Arbeit werden erstmals bürstenförmige Polykationen mit wurmförmiger Topologie zur Gentransfektion verwendet. Dazu wurde die Komplexierung von DNA mit Bürstenpolymeren mit Poly-L-Lysin- und Polyvinylpyridinium-Seitenketten und linearen Polykationen untersucht. Die Komplexbildung verläuft in allen Fällen kinetisch kontrolliert, alle Polykationen bilden sphärische Komplexe, die Topologie hat keinen Einfluss auf die Komplexgröße. Komplexe aus Bürstenpolymeren transfizieren mehr als 25% der gesamten Zellpopulation bei Schweinehirnendothelzellen. Gegenüber dem kommerziellen Transfektionsmittel Lipofektamin konnte eine deutliche Steigerung um bis zu 400% erreicht werden. Komplexe, die mit linearen Analoga gebildet wurden, zeigten bei gleicher Komplexgröße Transfektionsraten unter 5%. Freisetzungsversuche zeigen, dass die Komplexe, die gut transfizieren, recht labil sind, also die DNA unter Kompetitoreinfluss freisetzen können. Stabile Komplexe haben geringe Transfektionseffizienzen. Ebenso wichtig ist der Schutz der DNA vor Abbau durch DNase. Die PVP-Bürste bietet als einziges der untersuchten Polykationen diesen Schutz und zeigt auch die besten Transfektionsraten. Zusätzlich zu der medizinischen Anwendung wurde die Kinetik der Komplexbildung untersucht. Dazu wurde ein spezieller Aufbau entwickelt, der es ermöglicht die Streuintensität der Komplexlösung bei kleinen Streuwinkeln zeitaufgelöst im Millisekundenbereich zu detektieren. Die Komplexbildung verläuft diffusionskontrolliert, im Bereich von Ladungsverhältnissen (positive zu negativen Ladungen) von 1.8 bis 4.0 schließt sich ein fraktales Wachstum an.

Untersuchung der DNA-Reparatur in humanen Lymphozyten

Oxidative DNA-Schäden, wie 7,8-Dihydro-8-oxoguanin (8-oxoG), werden kontinuierlich in allen Zellen durch endogene und exogene Noxen gebildet. Ohne eine effektive Reparatur können DNA-Schäden nach erfolgter Replikation als Mutationen fixiert werden und somit die Kanzerogenese initiieren.rnUntersuchungsgegenstand dieser Arbeit war die Reparatur, vorrangig von oxidativen DNA-Schäden, in humanen Lymphozyten. Dabei sollte ebenfalls überprüft werden, inwiefern eine Aktivierung dieser Immunzellen, die u.a. zu einer Initiierung der Proliferation führt, modulierend auf die DNA-Reparatur wirkt. Für diese Untersuchungen wurden primäre Lymphozyten aus Buffy Coats isoliert. Eine Aktivierung von T Lymphozyten, welche physiologisch Antigen-vermittelt über den T-Zell-Rezeptor verläuft, wurde durch eine ex vivo Stimulation mit Phytohämagglutinin (PHA) nachgeahmt. Die Induktion oxidativer DNA-Basenmodifikationen erfolgte mit Hilfe des Photosensibilisators Acridinorange in Kombination mit sichtbarem Licht. Das Schadensausmaß sowie die Reparatur wurden mittels der Alkalischen Elution unter Nutzung der Reparaturendonuklease Fpg bestimmt.rnDie Ergebnisse zeigten, dass global keine Reparatur induzierter oxidativer DNA-Schäden in primären Lymphozyten stattfindet. Eine Aktivierung der Lymphozyten mittels PHA führte hingegen zu einer deutlichen Reduktion der induzierten DNA-Schäden innerhalb einer 24-stündigen Reparaturzeit. Diese verbesserte Reparatur konnte auf eine Steigerung der Transkription und somit eine erhöhte Proteinmenge von OGG1, welches die Reparatur von 8-oxoG DNA-Glykosylase initiiert, zurückgeführt werden. Weiterführende mechanistische Untersuchungen deuten darauf hin, dass der transkriptionellen Regulation von OGG1 eine Aktivierung der JNK-Signalkaskade zugrunde liegt. Als ein verantwortlicher Transkriptionsfaktor konnte NF-YA identifiziert werden. Dessen erhöhte Bindung am OGG1-Promotor in Folge einer PHA-Stimulation konnte durch eine JNK-Hemmung reduziert werden.rnDie Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass eine Aktivierung von Lymphozyten, welche die Proliferation initiiert und dadurch mit dem Risiko für die Entstehung von Mutationen und malignen Entartungen verknüpft ist, gleichzeitig eine transkriptionelle Hochregulation von OGG1 bewirkt, die die Reparatur oxidativer DNA-Schäden sicherstellt. Die Fähigkeit zur Steigerung der DNA-Reparatur unter den gezeigten Bedingungen bietet den proliferierenden Zellen einen Schutzmechanismus zur Erhaltung ihrer genomischen Stabilität.rn

Glukose-konjugierte Hemmstoffe als Strategie der gezielten Hemmung des DNA-Reparaturproteins O 6 -Methylguanin-DNA-Methyltransferase in Tumorzellen und der Einfluss von ATP-binding cassette Transportern

Das DNA-Reparaturprotein O6-Methylguanin-DNA-Methyltransferase [MGMT] ist der Hauptresistenzfaktor gegenüber der zytotoxischen Wirkung von SN1-alkylierenden Zytostatika in der Tumortherapie. Die Verwendung der MGMT-Hemmstoffe O6-Benzylguanin [O6BG] und O6-(4-Bromothenyl)guanin [O6BTG] führte zu einer Sensibilisierung des Normalgewebes, was eine Dosis-Reduktion der Zytostatika erforderlich machte und die erhoffte Therapieverbesserung verhinderte. Aus diesem Grund ist eine Strategie der selektiven Hemmung des MGMT-Proteins (Targeting-Strategie) erforderlich, um die systemische Toxizität in der Kombinationsbehandlung zu reduzieren. In dieser Arbeit wurde die Anwendbarkeit der Glukose-Konjugation als Targeting-Strategie untersucht, da Tumorzellen einen erhöhten Glukoseverbrauch aufweisen und demzufolge Glukosetransporter überexprimieren. Die Glukose-Konjugate O6BG-Glu und O6BTG-Glu inhibierten MGMT in Tumorzellen und sensibilisierten die Zellen gegenüber den alkylierenden Agenzien Temozolomid [TMZ] und Lomustin [CCNU]. Des Weiteren inaktivierten die Glukose-Konjugate die MGMT-Aktivität im Tumor eines Xenograft-Mausmodells und reduzierten das Tumorwachstum nach einer TMZ-Behandlung im gleichen Ausmass wie die Inhibitoren O6BG und O6BTG. Trotzdem war auch mit den Glukose-Konjugaten keine Steigerung der Zytostatika-Dosis im Mausmodell möglich. Die Untersuchungen der Aufnahme von O6BG-Glu und O6BTG-Glu wiederlegten eine Involvierung der Glukosetransporter. Der Einsatz von spezifischen Glukosetransporter-Inhibitoren und Kompetitions-Experimenten führte zu keiner Verminderung der MGMT-Hemmung oder Aufnahme vom radioaktiven H3-O6BTG-Glu in die Zelle. Dies legt nahe, dass die Glukose-Konjugate über einen unspezifischen Mechanismus (aktiv) in die Zellen gelangen. Der Grund für eine mögliche unselektive Aufnahme könnte im hydrophoben Alkyllinker, der für die Konjugation des Glukosemoleküls verwendet wurde, begründet sein. Dies führt zur Generierung von amphipathischen Konjugaten, die eine initiale Bindung an die Plasmamembran aufweisen und eine Aufnahme über den Flip-Flop-Mechanismus (transbilayer transport) wahrscheinlich machen. Die amphipathische Molekülstruktur der Glukose-Konjugate führte zu einer Partikelbildung in wässrigen Lösungen, die eine Reduktion der Menge an aktiven Monomeren von O6BG-Glu und O6BTG-Glu bewirken, die zur Hemmung von MGMT zur Verfügung stehen. Der zweite Teil der Arbeit befasste sich mit der Rolle von ABC-Transportern hinsichtlich einer Targeting-Strategie von MGMT-Hemmstoffen. Obwohl eine hohe Expression dieser ABC-Transporter in Tumoren zur Resistenzentwicklung gegenüber Zytostatika führt, wurde ihr Einfluss auf MGMT-Hemmstoffe oder einer MGMT-Targeting-Strategie niemals untersucht. In dieser Arbeit wurde zum ersten Mal ein aktiver Efflux von MGMT-Hemmstoffen durch ABC-Transporter nachgewiesen. Die Inhibition von ABC-Transportern bewirkte eine schnellere Inaktivierung von MGMT durch die Glukose-Konjugate. Des Weiteren zeigten Kompetitions-Experimente mit den MGMT-Hemmstoffen eine verminderte Efflux-Rate von Fluoreszenzfarbstoffen, die spezifisch von ABC-Transportern exportiert werden. ABC-Transporter reduzieren die wirksame Konzentration des Hemmstoffes in der Zelle und beeinträchtigen somit die Effektivität der MGMT-Inhibition. Eine simultane Hemmung der ABC-Transporter P-glycoprotein (P-gp), multi resistance protein 1 (MRP1) and breast cancer resistance protein (BCRP) erhöhte die Effektivität der MGMT-Hemmstoffe (O6BG, O6BTG, O6BG-Glu, O6BTG-Glu) und verstärkte auf diese Weise die TMZ-induzierte Toxizität in Tumorzelllinien. Die Involvierung von ABC-Transportern in der intrazellulären Speicherung von MGMT-Hemmstoffen ist wahrscheinlich die Ursache für die beobachteten Unterschiede in der Sensibilisierung verschiedener Tumorzelllinien gegenüber Zytostatika durch das Glukose-Konjugat O6BG-Glu. Eine Strategie, den Einfluss von ABC-Transportern zu reduzieren und zukünftliche MGMT-Targeting-Strategien effizienter umzusetzen, ist die Verwendung von O6BTG als Ausgangssubstanz. Die höhere Inhibitionsfähigkeit der Bromthiophenmoleküle vermindert die erforderliche intrazelluläre Konzentration für eine vollständige MGMT-Hemmung und reduziert auf diese Weise den Einfluss von ABC-Transportern.

DNase 2 is the main DNA-degrading enzyme of the stratum corneum

The cornified layer, the stratum corneum, of the epidermis is an efficient barrier to the passage of genetic material, i.e. nucleic acids. It contains enzymes that degrade RNA and DNA which originate from either the living part of the epidermis or from infectious agents of the environment. However, the molecular identities of these nucleases are only incompletely known at present. Here we performed biochemical and genetic experiments to determine the main DNase activity of the stratum corneum. DNA degradation assays and zymographic analyses identified the acid endonucleases L-DNase II, which is derived from serpinB1, and DNase 2 as candidate DNases of the cornified layer of the epidermis. siRNA-mediated knockdown of serpinB1 in human in vitro skin models and the investigation of mice deficient in serpinB1a demonstrated that serpinB1-derived L-DNase II is dispensable for epidermal DNase activity. By contrast, knockdown of DNase 2, also known as DNase 2a, reduced DNase activity in human in vitro skin models. Moreover, the genetic ablation of DNase 2a in the mouse was associated with the lack of acid DNase activity in the stratum corneum in vivo. The degradation of endogenous DNA in the course of cornification of keratinocytes was not impaired by the absence of DNase 2. Taken together, these data identify DNase 2 as the predominant DNase on the mammalian skin surface and indicate that its activity is primarily targeted to exogenous DNA.

Arabidopsis WEE1 kinase controls cell cycle arrest in response to activation of the DNA integrity checkpoint

Upon the incidence of DNA stress, the ataxia telangiectasia-mutated (ATM) and Rad3-related (ATR) signaling kinases activate a transient cell cycle arrest that allows cells to repair DNA before proceeding into mitosis. Although the ATM-ATR pathway is highly conserved over species, the mechanisms by which plant cells stop their cell cycle in response to the loss of genome integrity are unclear. We demonstrate that the cell cycle regulatory WEE1 kinase gene of Arabidopsis thaliana is transcriptionally activated upon the cessation of DNA replication or DNA damage in an ATR- or ATM-dependent manner, respectively. In accordance with a role for WEE1 in DNA stress signaling, WEE1-deficient plants showed no obvious cell division or endoreduplication phenotype when grown under nonstress conditions but were hypersensitive to agents that impair DNA replication. Induced WEE1 expression inhibited plant growth by arresting dividing cells in the G2-phase of the cell cycle. We conclude that the plant WEE1 gene is not rate-limiting for cycle progression under normal growth conditions but is a critical target of the ATR-ATM signaling cascades that inhibit the cell cycle upon activation of the DNA integrity checkpoints, coupling mitosis to DNA repair in cells that suffer DNA damage.

Mycobacterium tuberculosis NAD+-dependent DNA ligase is selectively inhibited by glycosylamines compared with human DNA ligase I

DNA ligases are important enzymes which catalyze the joining of nicks between adjacent bases of double-stranded DNA. NAD1-dependent DNA ligases (LigA) are essential in bacteria and are absent in humans. They have therefore been identified as novel, validated and attractive drug targets. Using virtual screening against an in-house database of compounds and our recently determined crystal structure of the NAD1 binding domain of the Mycobacterium tuberculosis LigA, we have identified N1, Nn-bis-(5-deoxy-a-D-xylofuranosylated) diamines as a novel class of inhibitors for this enzyme. Assays involving M.tuberculosis LigA, T4 ligase and human DNA ligase I show that these compounds specifically inhibit LigA from M.tuberculosis. In vitro kinetic and inhibition assays demonstrate that the compounds compete with NAD1 for binding and inhibit enzyme activity with IC50 values in the mM range. Docking studies rationalize the observed specificities and show that among several glycofuranosylated diamines, bis xylofuranosylated diamines with aminoalkyl and 1, 3-phenylene carbamoyl spacers mimic the binding modes of NAD1 with the enzyme. Assays involving LigA-deficient bacterial strains show that in vivo inhibition of ligase by the compounds causes the observed antibacterial activities. They also demonstrate that the compounds exhibit in vivo specificity for LigA over ATPdependent ligase. This class of inhibitors holds out the promise of rational development of new anti-tubercular agents.

Polymorphisms of the DNA repair gene MGMT and risk and progression of head and neck cancer.

Methylating agents are involved in carcinogenesis, and the DNA repair protein O(6)-methylguanine-DNA methyltransferase (MGMT) removes methyl group from O(6)-methylguanine. Genetic variation in DNA repair genes has been shown to contribute to susceptibility to squamous cell carcinoma of the head and neck (SCCHN). We hypothesize that MGMT polymorphisms are associated with risk of SCCHN. In a hospital-based case-control study of 721 patients with SCCHN and 1234 cancer-free controls frequency-matched by age, sex and ethnicity, we genotyped four MGMT polymorphisms, two in exon 3, 16195C>T and 16286C>T and two in the promoter region, 45996G>T and 46346C>A. We found that none of these polymorphisms alone had a significant effect on risk of SCCHN. However, when these four polymorphisms were evaluated together by the number of putative risk genotypes (i.e. 16195CC, 16286CC, 45996GT+TT, and 46346CA+AA), a statistically significantly increased risk of SCCHN was associated with the combined genotypes with three to four risk genotypes, compared with those with zero to two risk genotypes (adjusted odds ratio (OR)=1.27; 95% confidence interval (CI)=1.05-1.53). This increased risk was also more pronounced among young subjects (OR=1.81; 95% CI=1.11-2.96), men (OR=1.24; 95% CI=1.00-1.55), ever smokers (OR=1.25; 95%=1.01-1.56), ever drinkers (OR=1.29; 95% CI=1.04-1.60), patients with oropharyngeal cancer (OR=1.45; 95% CI=1.12-1.87), and oropharyngeal cancer with regional lymph node metastasis (OR=1.52; 95% CI=1.16-1.89). In conclusion, our results suggest that any one of MGMT variants may not have a substantial effect on SCCHN risk, but a joint effect of several MGMT variants may contribute to risk and progression of SCCHN, particularly for oropharyngeal cancer, in non-Hispanic whites.

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. ^

NGS Nominated CELA1, HSPG2, and KCNK5 as Candidate Genes for Predisposition to Balkan Endemic Nephropathy

Balkan endemic nephropathy (BEN) is a familial chronic tubulointerstitial disease with insidious onset and slow progression leading to terminal renal failure. The results of molecular biological investigations propose that BEN is a multifactorial disease with genetic predisposition to environmental risk agents. Exome sequencing of 22 000 genes with Illumina Nextera Exome Enrichment Kit was performed on 22 DNA samples (11 Bulgarian patients and 11 Serbian patients). Software analysis was performed via NextGene, Provean, and PolyPhen. The frequency of all annotated genetic variants with deleterious/damaging effect was compared with those of European populations. Then we focused on nonannotated variants (with no data available about them and not found in healthy Bulgarian controls). There is no statistically significant difference between annotated variants in BEN patients and European populations. From nonannotated variants with more than 40% frequency in both patients' groups, we nominated 3 genes with possible deleterious/damaging variants-CELA1, HSPG2, and KCNK5. Mutant genes (CELA1, HSPG2, and KCNK5) in BEN patients encode proteins involved in basement membrane/extracellular matrix and vascular tone, tightly connected to process of angiogenesis. We suggest that an abnormal process of angiogenesis plays a key role in the molecular pathogenesis of BEN.

Characterization of the role of the RNA-binding protein FUS in the DNA damage response

FUS/TLS (fused in sarcoma/translocated in liposarcoma), a ubiquitously expressed RNA-binding protein, has been linked to a variety of cellular processes, including RNA metabolism, microRNA biogenesis and DNA repair. However, the precise cellular function of FUS remains unclear. Recently, mutations in the FUS gene have been found in ∼5% of familial Amyotrophic Lateral Sclerosis, a neurodegenerative disorder characterized by the dysfunction and death of motor neurons. Since MEFs and B-lymphocytes derived from FUS knockdown mice display major sensitivity to ionizing radiation and chromosomal aberrations [1,2], we are investigating the effects of DNA damage both in the presence or in the absence of FUS. To this purpose, we have generated a SH-SY5Y human neuroblastoma cell line expressing a doxycycline-induced shRNA targeting FUS, which specifically depletes the protein. We have found that FUS depletion induces an activation of the DNA damage response (DDR). However, treatment with genotoxic agents did not induce any strong changes in ATM (Ataxia Telangiectasia Mutated)-mediated DDR signaling. Interestingly, genotoxic treatment results in changes in the subcellular localization of FUS in normal cells. We are currently exploring on one hand the mechanism by which FUS depletion leads to DNA damage, and on the other the functional significance of FUS relocalization after genotoxic stress.

DNA Catalysis: The Chemical Repertoire of DNAzymes

Deoxyribozymes or DNAzymes are single-stranded catalytic DNA molecules that are obtained by combinatorial in vitro selection methods. Initially conceived to function as gene silencing agents, the scope of DNAzymes has rapidly expanded into diverse fields, including biosensing, diagnostics, logic gate operations, and the development of novel synthetic and biological tools. In this review, an overview of all the different chemical reactions catalyzed by DNAzymes is given with an emphasis on RNA cleavage and the use of non-nucleosidic substrates. The use of modified nucleoside triphosphates (dN*TPs) to expand the chemical space to be explored in selection experiments and ultimately to generate DNAzymes with an expanded chemical repertoire is also highlighted.