DNA-Doppelstrangbrüche als zentrales Ereignis alkylierungsinduzierter Zytotoxizität

DNA-Doppelstrangbrüche als zentrales Ereignis alkylierungsinduzierter Zytotoxizität Die vorliegende Arbeit befaßt sich mit der Entstehung von DNA-Doppelstrangbrüchen durch gentoxische Agenzien sowie den zytotoxischen Auswirkungen, die DNA-Doppelstrangbrüche für die Säuger-Zelle haben. Im ersten Teil der Arbeit wurden die molekularen Mechanismen untersucht, die am O6-Methylguanin (O6-MeG)-DNA-Schaden, hervorgerufen durch alkylierende Agenzien, ablaufen. Dabei konnte gezeigt werden, das O6-Methylguanin DNA-Methyltransferase (MGMT) O6-MeG/C und O6-MeG/T in vitro mit gleicher Effizienz repariert und daß die Reparatur von O6-MeG nach dem ersten Zellzyklus protektive Auswirkung auf das zelluläre Überleben hat. Im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit stand die Induktion von DNA-Doppelstrangbrüchen durch gentoxische Agenzien in Mausfibroblasten und CHO-Zellen im Mittelpunkt. Mit Hilfe der Einzelzellgelelektrophorese (SCGE, Comet Assay) wurde gezeigt, daß alkylierende Substanzen und die durch Elektroporation in Zellen hineingebrachten Restriktionsenzyme PvuII und EcoRI DNA-Doppelstrangbrüche zu induzieren vermögen. Die Induktion und Reparatur von DNA-Doppelstrangbrüchen nach Elektroporation von PvuII war vom p53-Status der Zellen abhängig, da p53-defiziente Zellen im Gegensatz zu p53-profizienten Zellen höhere DNA-Doppelstrangbruchraten über einen längeren Zeitraum aufwiesen. Im dritten Teil wurden die physiologischen Auswirkungen einer Behandlung von Zellen mit Induktoren von DNA-Doppelstrangbrüchen untersucht. Es wurde gezeigt, daß Alkylanzien in Abhängigkeit vom Vorhandensein von MGMT Apoptose induzieren. Mit PvuII elektroporierte p53-knockout Mausfibroblasten zeigten infolgedessen und im Gegensatz zu p53-wildtyp Zellen hohe Apoptoseraten. Die Induktion der Apoptose nach Behandlung mit PvuII wie auch nach g-Bestrahlung ging einher mit einem Abfall der Proteinmenge des antiapoptotischen Bcl-2. Zusammengenommen weisen die Versuchsergebnisse dieser Arbeit darauf hin, daß nach Behandlung von Zellen mit O6-MeG-generierenden Agenzien wie auch nach g-Bestrahlung DNA-Doppelstrangbrüche das ultimative Signal darstellen können.

Generierung und Prozessierung oxidativer DNA-Schäden

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

Modulation der Strahlen- und Chemosensitivität menschlicher Tumorzellen durch Interferon

Pankreaskarzinome und maligne Melanome weisen eine hohe Resistenz gegenüber Zytostatika und Bestrahlung in der Therapie auf. Die Behandlung eines metastasierenden Pankreaskarzinoms besteht aus einer Kombination aus 5-FU, CDDP und IR. Für die Behandlung des malignen Melanoms ist das methylierende Agenz DTIC das Mittel erster Wahl. Das ebenfalls methylierende Agenz TMZ, welches jedoch in Deutschland noch nicht für die Behandlung von malignen Melanomen zugelassen ist, erlangt immer größere Bedeutung. Die Ansprechrate der Tumore kann durch Kombination mit IFNs erhöht werden. In der vorliegenden Arbeit wurde an Pankreaskarzinom- bzw. Melanomzelllinien untersucht, ob IFNs einen radio- bzw. chemosensibilisierender Effekt ausüben und, wenn ja, welcher Mechanismus hierfür verantwortlich ist. Es wurden zehn Pankreaskarzinom-Zelllinien (Panc-1, Su8686, Capan-1, Capan-2, Bxpc-3, PA-TU 8988T, Aspc-1, HS 766T, Mia-PaCa-2 und PA-TU 8902) untersucht. Diese zeigten eine hohe Variabilität in ihrer intrinsischen Radiosensitivität sowie in ihrer Sensitivität gegenüber IFN-alpha und IFN-beta. IFN-beta erwies sich als toxischer im Vergleich zu IFN-alpha. Die radiosensibilisierende Wirkung der IFNs an Pankreaskarzinom-Zelllinien war moderat, wobei IFN-beta im Vergleich zu IFN-alpha effektiver war. Der radiosensibilisierende Effekt ging mit einer deutlichen Erhöhung der alpha-Komponente, der Überlebenskurven einher und kam durch eine IFN-beta vermittelte Verstärkung der IR-induzierten Apoptoserate zustande. Dies wurde sowohl durch SubG1 als auch durch Annexin V / PI Messungen gezeigt. Einen Einfluss von IFN-beta auf den Zellzyklus und die DSB-Reparatur konnte durch funktionelle Untersuchungen sowie durch PCR bzw. Western-Blot-Analysen als Grund für den sensibilisierdenen Effekt ausgeschlossen werden. Ein sensibilisierender Effekt von IFN-beta auf die durch TMZ-induzierte Zytotoxizität war für die Pankreaskarzinom-Zelllinien weder in MGMT-profizientem noch –depletiertem Zustand zu beobachten. Zur Untersuchung der sensibilisierenden Eigenschaften von IFNs gegenüber TMZ in malignen Melanomzelllinien wurden p53-Wildtyp (D05 und A375) und mutierte Zelllinien (D14 und RPMI 7951) untersucht. Gegenüber alleiniger TMZ-Behandlung reagierten die untersuchten p53-Wildtyp Melanomzelllinien nicht sensitiver auf eine Behandlung mit TMZ als p53-mutierte Zelllinien. Der Nachweis des Spaltprodukts der Caspase-9 lieferte einen Hinweis darauf, dass in den Melanomzelllinien unabhängig vom p53-Status nach alleiniger TMZ-Behandlung der mitochondriale Apoptoseweg aktiviert wird. Durch eine Vorbehandlung der Zellen mit IFN-alpha oder IFN-beta konnte die TMZ-induzierte Apoptoserate in malignen Melanomzellen deutlich gesteigert werden. In p53-Wildtyp Melanomzellen war der chemosensibilisierende Effekt der IFNs besonders ausgeprägt. IFN-beta erwies sich hierbei als effektiver, weshalb es für die folgenden Versuche verwendet wurde. Durch stabile Transfektion der Zelllinie D05 mit MGMT konnte das durch TMZ-induzierte Addukt O6MeG als für den sensibilisieredenen Effekt ausschlaggebende DNA-Schädigung charakterisiert werden. Western-Blot-Analysen und gamma-H2AX-Immunfluoreszenz Untersuchungen konnten einen Einfluss von IFN-beta auf die Prozessierung der Läsion O6MeG sowie einen Einfluss von IFN-beta auf die Induktion und Reparatur von TMZ verursachten DSBs ausschließen. Durch Experimente mit einem Fas-aktivierenden Antikörper und durch eine stabile Transfektion der Zelllinien D05 und A375 mit DN-FADD konnte gezeigt werden, dass p53-Wildtyp Melanomzellen nicht oder nur eingeschränkt in der Lage sind, nach TMZ-Behandlung über den Fas-Rezeptor Signalweg Apoptose zu induzieren. Ausschlaggebend hierfür ist die geringe Pro-Caspase-8 Expression dieser Zelllinien. Eine IFN-beta Vorbehandlung bewirkte eine Reaktivierung des Fas-Rezeptor Signalweges, was mit einer verstärkten Expression der Pro-Caspase-8 einherging. Durch Experimente mit Caspase-8 siRNA konnte diese IFN-beta induzierte Verstärkung der Pro-Caspase-8 Expression als entscheidender Faktor für den sensibilisierenden Effekt ausgemacht werden. Zum ersten Mal konnte damit in dieser Arbeit gezeigt werden, dass p53-Wildtyp Melanomzellen durch eine IFN-beta vermittelte Hochregulation der Pro-Caspase-8 ihre Fähigkeit wiedererlangen, nach TMZ-Behandlung über den Fas-Rezeptor Signalweg Apoptose auszulösen. Diese Arbeiten weisen einen Weg, auf welchem die hohe Resistenz von malignen Melanomzellen, welche zu 80 % das nicht mutierte p53 Gen beherbergen, über eine IFN-beta induzierte Reaktivierung der Fas-Rezeptor vermittelten Apoptosekaskade überwunden werden kann.

Identifizierung chemischer Transportinhibitoren zur Modulation (patho)biologischer Genprodukte

Die intrazelluläre Lokalisation von Proteinen und Makromolekülen unterliegt in Eukaryoten einer strengen Regulation. Insbesondere erlaubt die Kompartimentierung eukaryotischer Zellen in Zellkern und Zytoplasma den simultanen Ablauf räumlich getrennter biochemischer Reaktionen, und damit die unabhängige Regulation zellulärer Programme. Da trotz intensiver Forschungsbemühungen bis dato die molekularen Details sowie die (patho)biologische Bedeutung von Kern-Zytoplasma-Transportprozessen noch immer nicht vollkommen verstanden sind, wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit ein Fokus auf die Identifizierung von chemischen Transportinhibitoren gelegt. Das zu diesem Zweck entwickelte Translokations-Biosensor-System basiert auf der Kombination von autofluoreszierenden Proteinen, sowie spezifisch ausgewählten Kernexport- und Kernimportsignalen. Nach Etablierung geeigneter Zellmodelle, die effizient und stabil die Translokations-Biosensoren exprimieren, wurde die 17 000 Substanzen umfassende Bibliothek der ChemBioNet-Initiative nach Kernexportinhibitoren mittels einer Fluoreszenzmikroskopie-basierten Hochdurchsatzanalyse-Plattform durchmustert. Zunächst wurden Translokations-Algorithmen, welche eine zuverlässige automatisierte Erkennung von Zellkern und Zytoplasma erlauben, optimiert. Im Folgenden konnten acht neue niedermolekulare Kernexport-Inhibitoren identifiziert werden, die sich in der Stärke, der Geschwindigkeit, sowie in der Beständigkeit der vermittelten Inhibition unterscheiden. Die Aktivität der Inhibitoren konnte auf den isolierten nukleären Exportsignalen (NES) von HIV-1 Rev und Survivin als auch auf den entsprechenden Volllängeproteinen mittels Mikroinjektionsexperimenten sowie durch umfassende in vitro und biochemische Methoden bestätigt werden. Zur Untersuchung der funktionellen Einheiten der Inhibitoren wurden homologe Substanzen auf Ihre Aktivität hin getestet. Dabei konnten für die Aktivität wichtige chemische Gruppen definiert werden. Alle Substanzen stellen neue Inhibitoren des Crm1-abhängigen Exports dar und zeigen keine nachweisbare NES-Selektivität. Interessanterweise konnte jedoch eine zytotoxische und Apoptose-induzierende Wirkung auf verschiedene Krebszellarten festgestellt werden. Da diese Wirkung unabhängig vom p53-Status der Tumorzellen ist und die Inhibitoren C3 und C5 die Vitalität nicht-maligner humaner Zellen signifikant weniger beeinträchtigen, wurden diese Substanzen zum internationalen Patent angemeldet. Da der nukleäre Export besonders für Tumorzellen einen wichtigen Überlebenssignalweg darstellt, könnte dessen reversible Hemmung ausgenutzt werden, um besonders in Kombination mit gängigen Krebstherapien eine therapeutisch relevante Tumorinhibition zu erzeugen. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit der neuen Exportinhibitoren ist auf dem Gebiet der Infektionskrankheiten zu sehen, da auch die Aktivität des essentiellen HIV-1 Rev-Proteins inhibiert wird. Zusätzlich konnte in der Arbeit gezeigt werden, dass der zelluläre Kofaktor des Crm1-abhängigen Exports des HIV-1 Rev-Proteins, die RNA-Helikase DDX3, ein eigenes NES enthält. Der Nachweis einer direkten Interaktion des HIV-1 Rev- mit dem DDX3-Protein impliziert, dass multiple Angriffstellen für chemische Modulatoren hinsichtlich einer antiviralen Therapie gegeben sind. Da die Vielfalt des chemischen Strukturraums es unmöglich macht diesen experimentell vollständig zu durchmustern, wurden im Rahmen dieser Arbeit auch Naturstoffe als vielversprechende Wirkstoffquelle untersucht. Um zukünftig umfassend bioaktive Substanzen aus diesen hochkomplexen Stoffgemischen experimentell identifizieren zu können, wurde eine Fluoreszenzmikroskopie-basierte Hochdurchsatzanalyse-Plattform am Mainz Screening Center (MSC) etabliert. Damit konnte bereits ein weiterer, bisher unbekannter Exportinhibitor aus Cyphellopsis anomala identifiziert werden. Neben einer Anwendung dieser Substanz als chemisches Werkzeug zur Aufklärung der Regulation von Transportvorgängen, stellt sich auch die evolutionsbiologisch relevante Frage, wie es dem Pilzproduzenten gelingt die Blockierung des eigenen Kernexports zu umgehen. Weiterführende Projekte müssen sich neben der Aufklärung der molekularen Wirkmechanismen der gefundenen Substanzen mit der Identifizierung spezifischer chemischer „Funktionseinheiten“ beschäftigen. Neben einem verbesserten mechanistischen Verständnis von Transportvorgängen stellen die erarbeiteten Transportinhibitoren Vorstufen zur Weiterentwicklung möglicher Wirkstoffe dar. Die im Rahmen dieser Arbeit etablierte Technologie-Plattform und molekularen Werkzeuge stellen darüber hinaus eine wichtige Voraussetzung dar, um eine systematische Suche nach möglichen Wirkstoffen im Forschungsfeld der „Chemischen Biomedizin“ voranzutreiben.

Mechanisms of resistance of tumor cells in response to treatment with the vacuolar H+-ATPase inhibitor archazolid B

Resistance of cancer cells towards chemotherapy is the major cause of therapy failure. Hence, the evaluation of cellular defense mechanisms is essential in the establishment of new chemotherapeutics. In this study, classical intrinsic and acquired as well as new resistance mechanisms relevant in the cellular response to the novel vacuolar H+-ATPase inhibitor archazolid B were investigated. Archazolid B, originally produced by the myxobacterium Archangium gephyra, displayed cytotoxicity in the low nanomolar range on a panel of cancer cell lines. The drug showed enhanced cytotoxic activity against nearly all cancerous cells compared to their non-cancerous pendants. With regards to ABC transporters, archazolid B was identified as a moderate substrate of ABCB1 (P-glycoprotein) and a weak substrate of ABCG2 (BCRP), whereas hypersensitivity was observed in ABCB5-expressing cells. The cytotoxic effect of archazolid B was shown to be independent of the cellular p53 status. However, cells expressing constitutively active EGFR displayed significantly increased resistance. Acquired drug resistance was studied by establishing an archazolid B-resistant MCF-7 cell line. Experiments showed that this secondary resistance was not conferred by aberrant expression or DNA mutations of the gene encoding vacuolar H+-ATPase subunit c, the direct target of archazolid B. Instead, a slight increase of ABCB1 and a significant overexpression of EGFR as well as reduced proliferation may contribute to acquired archazolid B resistance. For identification of new resistance strategies upon archazolid B treatment, omics data from bladder cancer and glioblastoma cells were analyzed, revealing drastic disturbances in cholesterol homeostasis, affecting cholesterol biosynthesis, uptake and transport. As shown by filipin staining, archazolid B led to accumulation of free cholesterol in lysosomes, which triggered sterol responses, mediated by SREBP-2 and LXR, including up-regulation of HMGCR, the key enzyme of cholesterol biosynthesis. Furthermore, inhibition of LDL uptake as well as impaired LDLR surface expression were observed, indicating newly synthesized cholesterol to be the main source of cholesterol in archazolid B-treated cells. This was proven by the fact that under archazolid B treatment, total free cholesterol levels as well as cell survival were significantly reduced by inhibiting HMGCR with fluvastatin. The combination of archazolid B with statins may therefore be an attractive strategy to circumvent cholesterol-mediated cell survival and in turn potentiate the promising anticancer effects of archazolid B.

Increased cytotoxicity of cisplatin in SK-MEL 28 melanoma cells upon down-regulation of melanoma inhibitor of apoptosis protein

BACKGROUND: Malignant melanoma is a highly metastatic cutaneous cancer and typically refractory to chemotherapy. Deregulated apoptosis has been identified as a major cause of cancer drug resistance, and upregulated expression of the inhibitor of apoptosis protein melanom, an inhibitor of apoptosis (ML-IAP) is frequent in melanoma. METHODS: Based on the conclusion that ML-IAP expression contributes to a malignant phenotype, we down-regulated the ML-IAP mRNA using sequence optimized antisense oligonucleotides. RESULTS: As measured by real-time PCR, oligonucleotides M706 and M711 inhibited ML-IAP mRNA expression by 47% and 52%, respectively in the highly metastatic and drug resistant SK-MEL28 cell line. Oligonucleotide M706, which was previously evaluated in G361 cells as the most efficient inhibitor of ML-IAP expression, was chosen to compare cell viability and drug sensitivity of these two melanoma cell lines with different p53 functionality. Protein expression was reduced by oligonucleotide M706 to 49% of the normal level and resulted in a dose-dependent specific reduction of cell viability with a maximum of 39% at 600 nM. Typical morphological changes showed that loss of viability was mainly due to cell death. In combination experiments, the use of oligonucleotide M706 resulted in a two-fold increase of cisplatin cytotoxicity at different concentrations of oligonucleotide and cisplatin (P<0.05). This is in line with our previous findings in G361 melanoma cell line, in which oligonucleotide M706 caused a 3-fold increase in cisplatin cytotoxicity. CONCLUSION: Our data suggest the use of ML-IAP antisense oligonucleotides to overcome drug resistance in metastatic melanoma, in spite of its p53 status.

Expression and regulation of interleukins in human head and neck squamous cell carcinoma

Patients with head and neck squamous cell carcinoma (HNSCC) demonstrate abnormal cell-mediated immunity which is most pronounced at the primary tumor site. Therefore, we tested whether this aberrant immunity could be due to tumor-derived cytokines. We investigated the presence of cytokine mRNA and protein in 8 HNSCC-derived cell lines; RT-PCR results indicated mRNA's for IL-1$\alpha$ and TGF-$\alpha$ (8/8), TGF-$\beta$ (7/8), IL-1$\beta$ (7/8), IL-4 and IL-6 (4/8). IL-2, IFN-$\gamma,$ and TNF-$\alpha$ mRNA was not detected. Supernatants from 6 of these cell lines were analyzed by ELISA and IL-1$\alpha,$ IL-1$\beta,$ and IL-6 were markedly increased compared to HPV-16 immortalized human oral keratinocytes. IL-1$\alpha$ was found in the highest concentration $>$IL-6 $>$ IL-1$\beta.$^ To approach the mechanisms of cytokine regulation, 4 cell lines were compared for HPV DNA presence, p53 status, and cytokine expression. An association between HPV DNA and cytokine expression was not found. However, cell lines secreting the most IL-6 had mutant p53 and/or HPV 16 E6/E7 expression. Further regulatory investigations revealed that exogenous IL-1$\alpha$ and/or IL-1$\beta$ minimally stimulated the proliferation of 2/3 cell lines, as well as strongly induced IL-6 production in 3/3; this effect was completely abrogated by IL-1Ra. IL-1Ra also inhibited the secretion of IL-1$\alpha$ and IL-1$\beta$ in 2/3 cell lines. These data suggest an IL-1 autocrine loop in certain HNSCC cell lines. Because IL-2 induces IL-1 and is used in therapy of HNSCC, the expression of IL-2 receptor was also investigated; IL-2 $\alpha$ and $\beta$ subunits were detected in 3/3 cell lines and $\gamma$ subunits was detected in one. Exogenous IL-2 inhibited the proliferation, but stimulated the secretion of IL-1$\alpha$ in 2/3, and IL-1$\beta$ and IL-6 in 1/3 cell lines.^ To determine if our cell line findings were applicable to patients, immunohistochemistry was performed on biopsies from 12 invasive tumors. Unexpectedly, universal intracellular production of IL-1$\alpha,$ IL-1$\beta,$ and IL-6 protein was detected. Therefore, the aberrant elaboration of biologically active IL-1 and IL-6 may contribute to altered immune status in HNSCC patients. ^

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. ^

Alterations in cell adhesion and migration are transcriptionally regulated by the tumor suppressor, TP53

The p53 transcription factor is a tumor suppressor and a master regulator of apoptosis and the cell cycle in response to cell stress. In some advanced tumors, such as prostate cancers, the loss of p53 correlates with an increase in the occurrence of metastases. In addition, several groups have suggested that p53 status correlates with changes in cell migration and cell morphology associated with a migratory phenotype. Others have identified several genes with roles in cell migration that are directly transcriptionally regulated by p53. Even so, modulation of cell migration is not widely recognized as a p53 stress response. ^ In an effort to identify novel p53 target genes and expand our knowledge of the p53 transcriptional response, we performed Affymetrix gene expression analysis in p53-null PC3 prostate cancer cells following infection with a control virus or adenoviral construct expressing wild-type p53. Over 300 genes that had not been previously recognized as p53 target genes were identified. Of these genes, 224 were upregulated and 111 were downregulated (p<0.05). Functional over-representation analysis identified cell migration as a significantly over-represented biological function of p53. Further analysis identified two genes that are critical for the control of cell migration as potential p53 targets. One, hyaluronan mediated motility receptor (HMMR), has recently been shown to be a p53 target important for regulation of the cell cycle. Here, we show that HMMR is downregulated by p53 in several cell lines, and HMMR's regulation is dependent on the presence of the cdk inhibitor, p21, and histone deactelyase activity. The other gene, carcinoembryonic antigen-related cell adhesion molecule 1 (CEACAM1), itself a tumor suppressor, is shown here, for the first time, as a p53 direct target by ChIP analysis. We next determined the effect of p53 activation on cell migration and found that p53 significantly slows the rate of cell migration in Boyden chamber migration assays and digital videomicroscopy wound healing studies. Further, our studies established the specific roles of CEACAM1 and HMMR in cell migration and determine that loss of CEACAM1 and overexpression of HMMR independently contribute to increased cell migration. Taken together, these studies provide a direct mechanistic link between p53 to the regulatory control of specific target genes that mediate cell adhesion and migration. ^

The cancer growth suppressor gene mda-7 selectively induces apoptosis in human breast cancer cells and inhibits tumor growth in nude mice

A differentiation induction subtraction hybridization strategy is being used to identify and clone genes involved in growth control and terminal differentiation in human cancer cells. This scheme identified melanoma differentiation associated gene-7 (mda-7), whose expression is up-regulated as a consequence of terminal differentiation in human melanoma cells. Forced expression of mda-7 is growth inhibitory toward diverse human tumor cells. The present studies elucidate the mechanism by which mda-7 selectively suppresses the growth of human breast cancer cells and the consequence of ectopic expression of mda-7 on human breast tumor formation in vivo in nude mice. Infection of wild-type, mutant, and null p53 human breast cancer cells with a recombinant type 5 adenovirus expressing mda-7, Ad.mda-7 S, inhibited growth and induced programmed cell death (apoptosis). Induction of apoptosis correlated with an increase in BAX protein, an established inducer of programmed cell death, and an increase in the ratio of BAX to BCL-2, an established inhibitor of apoptosis. Infection of breast carcinoma cells with Ad.mda-7 S before injection into nude mice inhibited tumor development. In contrast, ectopic expression of mda-7 did not significantly alter cell cycle kinetics, growth rate, or survival in normal human mammary epithelial cells. These data suggest that mda-7 induces its selective anticancer properties in human breast carcinoma cells by promoting apoptosis that occurs independent of p53 status. On the basis of its selective anticancer inhibitory activity and its direct antitumor effects, mda-7 may represent a new class of cancer suppressor genes that could prove useful for the targeted therapy of human cancer.

Epstein-Barr virus-mediated protection against etoposide-induced apoptosis in BJA-B B cell lymphoma cells: role of Bcl-2 and caspase proteins

Epstein-Barr virus (EBV)-infected B cell lymphomas are resistant to apoptosis during cancer development and treatment with therapies. The molecular controls that determine why EBV infection causes apoptosis resistance need further definition. EBV-positive and EBV-negative BJA-B B cell lymphoma cell lines were used to compare the expression of selected apoptosis-regulating Bcl-2 and caspase proteins in EBV-related apoptosis resistance, after 8 hr or 18-24 hr etoposide treatment (80 muM). Apoptosis was quantified using morphology and verified with Hoechst 33258 nuclear stain and electron microscopy. Fluorescence activated cell sorting (FACS) was used to analyse effects on cell cycle of the EBV infection as well as etoposide treatment. Anti-apoptotic Bcl-2 and Bcl-XL, pro-apoptotic Bax, caspase-3 and caspase-9 expression and activation were analysed using Western immunoblots and densitometry. EBV-positive cultures had significantly lower levels of apoptosis in untreated and etoposide-treated cultures in comparison with EBV-negative cultures (p < 0.05). FACS analysis indicated a strong G2/M block in both cell sublines after etoposide treatment. Endogenous Bcl-2 was minimal in the EBV-negative cells in comparison with strong expression in EBV-positive cells. These levels did not alter with etoposide treatment. Bcl-XL was expressed endogenously in both cell lines and had reduced expression in EBV-negative cells after etoposide treatment. Bax showed no etoposide-induced alterations in expression. Pro-caspase-9 and -3 were seen in both EBV-positive and -negative cells. Etoposide induced cleavage of caspase-9 in both cell lines, with the EBV-positive cells having proportionally less cleavage product, in agreement with their lower levels of apoptosis. Caspase-3 cleavage occurred in the EBV-negative etoposide-treated cells but not in the EBV-positive cells. The results indicate that apoptosis resistance in EBV-infected B cell lymphomas is promoted by an inactive caspase-3 pathway and elevated expression of Bcl-2 that is not altered by etoposide drug treatment.

Loss of PKR Activity in Chronic Lymphocytic Leukemia

There are a number of observations that suggest the dsRNA-activated protein kinase, PKR, may play an active role in formation and maintenance of leukemia, including nonrandom chromosomal deletions in acute leukemia as well as truncations and deletions of the PKR gene in some leukemia cell lines. However, there is little direct evidence from patient material that this is so. Here we show that full-length PKR is present but not active in 21 of 28 patient samples from B-cell chronic lymphocytic leukemia (B-CLL). PKR from these patients was unable to auto-activate or phosphorylate substrates but was able to bind dsRNA. Furthermore, the lack of PKR activation was not due to differing levels of the PKR activator, PACT nor of the PKR inhibitor, p58(IPK). We compared PKR status with clinical parameters and disease staging. No differences were found between the 2 groups in terms of staging (modified Rai or Binet), age, CD38 status, p53 status, 11q23 deletion status or CEP12 deletion status. However, there was a significant correlation between deletion in 13q14.3 and lack of PKR activity. We show that B-CLL cells appear to contain a soluble inhibitor of PKR, as lysates from cells lacking PKR activity were able to inhibit exogenous PKR in mixing experiments. Finally, we show suppression of PKR activity was still present following ultrafilitration through a 10,000 Da cutoff filter but was lost upon extraction with phenol/chloroform or by high salt washing. This data suggests loss of PKR activity may contribute to the formation and/or maintenance of CLL. (C) 2004 Wiley-Liss, Inc.

RNA interference against human papillomavirus oncogenes in cervical cancer cells results in increased sensitivity to cisplatin

Targeted inhibition of oncogenes in tumor cells is a rational approach toward the development of cancer therapies based on RNA interference (RNAi). Tumors caused by human papillomavirus (HPV) infection are an ideal model system for RNAi-based cancer therapies because the oncogenes that cause cervical cancer, E6 and E7, are expressed only in cancerous cells. We investigated whether targeting HPV E6 and E7 oncogenes yields cancer cells more sensitive to chemotherapy by cisplatin, the chemotherapeutic agent currently used for the treatment of advanced cervical cancer. We have designed siRNAs directed against the HPV E6 oncogene that simultaneously targets both E6 and E7, which results in an 80% reduction in E7 protein and reactivation of the p53 pathway. The loss of E6 and E7 resulted in a reduction in cellular viability concurrent with the induction of cellular senescence. Interference was specific in that no effect on HPV-negative cells was observed. We demonstrate that RNAi against E6 and E7 oncogenes enhances the chemotherapeutic effect of cisplatin in HeLa cells. The IC50 for HeLa cells treated with cisplatin was 9.4 mu M, but after the addition of a lentivirus-delivered shRNA against E6, the IC50 was reduced almost 4-fold to 2.4 mu M. We also observed a decrease in E7 expression with a concurrent increase in p53 protein levels upon cotreatment with shRNA and cisplatin over that seen with individual treatment alone. Our results provide strong evidence that loss of E6 and E7 results in increased sensitivity to cisplatin, probably because of increased p53 levels.

Comprendere come lo stato genetico di TP53 influenza la risposta al deficit indotto sul Complesso I mitocondriale come terapia anticancro

Il Complesso I (CI) mitocondriale è uno dei target metabolici più promettenti nelle terapie anti- cancro. In particolare, la metformina è un inibitore noto del CI, capace di inibire la crescita delle cellule tumorali, ma non di eradicare la patologia. Recentemente, l’associazione metformina ed ipoglicemia si è rivelata letale per i tumori, sebbene l’efficacia terapeutica del trattamento sinergico possa essere influenzata dall’accumulo di alterazioni genetiche nei più noti drivers della tumorigenesi. Abbiamo così investigato l’effetto dello stress metabolico indotto dalla restrizione di glucosio in un pannello di linee cellulari tumorali con un severo deficit sul CI e con un diverso stato genetico di TP53. Il deficit del CI associato alla carenza di glucosio inducono un abbattimento dei livelli di espressione della proteina p53 mutata, ma non della controparte wild-type. Il fenomeno biologico osservato non dipende né da un blocco trascrizionale, né dall’innesco di vie di degradazione intracellulare, come proteasoma ed autofagia. La scomparsa di p53 mutata, invece, sembra dipendere da un blocco generale della sintesi proteica, verosimilmente indotto dallo stress energetico e nutrizionale. Nella controparte p53 wild-type, invece, si osserva solo una parziale riduzione della sintesi proteica, suggerendo l’innesco di possibili vie di adattamento per compensare il danno sul CI. La carenza di amminoacidi è una caratteristica dei tumori solidi che potrebbe essere esacerbata in condizioni di deficit generali della catena respiratoria mitocondriale. In particolare, l’inibizione del CI causa auxotrofia da aspartato, metabolita limitante per la proliferazione, condizione che potrebbe generare il blocco della sintesi proteica osservato. L’incremento di espressione dei livelli del trasportatore aspartato/glutatammato mediata da p53 mutata compensa l’auxotrofia da aspartato, identificando un meccanismo di adattamento al deficit del CI. Dunque, i risultati ottenuti sottolineano l’importanza di implementare la terapia anti-complesso I nel cancro, poiché il diverso stato di p53 può alterare l’efficacia del trattamento.

Proapoptotische und antiproliferative Wirkung des Histondeacetylase-Inhibitors LBH589 in Abhängigkeit vom p53- und Chk1-Status

Magdeburg, Univ., Med. Fak., Diss., 2012