Untersuchungen zum Einfluss von NBN, ATM und ATR auf die Alkylanzien-induzierte Toxizität

In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss der DNA-Reparaturenzyme NBN, ATM und ATR, die wichtige Funktionen während der Reparatur von DNA-Doppelstrangbrüchen (DSBs) besitzen, auf die Alkylanzien-induzierte Toxizität untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass verschiedene menschliche Zelllinien, welche eine Beeinträchtigung in einem dieser drei Gene aufweisen, eine erhöhte Sensitivität gegenüber N-Methyl-N'-Nitro-N-Nitrosoguanidin (MNNG) und dem Chemotherapeutikum Temozolomid (TMZ) zeigen. Da das DNA-Reparaturenzym MGMT die Zellen vor der Induktion des Zelltods schützt, kann geschlussfolgert werden, dass die Hypersensitivität der mutierten Zelllinien auf die O6-MeG-Läsion zurückzuführen ist. Es konnte gezeigt werden, dass Mutationen von NBN oder ATM nicht zu einer verminderten Kapazität der Basen-Exzisions-Reparatur (BER) führen. Somit ist die erhöhte Sensitivität der mutierten Zellen sehr wahrscheinlich auf eine verminderte Reparatur der DSBs zurückzuführen, welche durch die O6-MeG-Läsion induziert werden. Damit konnte NBN, ATM und ATR als neue Faktoren in der Abwehr gegen Alkylanzien-induzierte Toxizität identifiziert werden. Dies ist von großer klinischer Bedeutung, da einerseits die drei Proteine als therapeutisches Angriffsziel Bedeutung gewinnen und andererseits verschiedene Tumore, die in der Klinik mit alkylierenden Agenzien behandelt werden, Mutationen in diesen Genen tragen.rnrnWeiterhin wurde beobachtet, dass NBN- und ATM-defiziente Zellen nach Behandlung mit methylierenden Agenzien eine ungewöhnlich hohe Nekrose-Rate aufweisen. Es konnte gezeigt werden, dass diese unabhängig von einer PARP1-Aktivierung induziert wird. Dennoch wurde in den NBN- und ATM-mutierten Zelllinien im Gegensatz zum Wildtyp eine sehr starke Verminderung der ATP-Menge nach MNNG-Behandlung beobachtet. Diese wird durch das Fehlen einer effektiven Aktivierung der AMP-Kinase in diesen Zellen verursacht. Somit kann angenommen werden, dass die hohe Nekrose-Rate auf eine ATP-Depletion zurückzuführen ist, welche durch die nicht ausreichende AMP-Kinase-Aktivierung in diesen Zellen bedingt wird. Daher konnte NBN und ATM als Faktoren des zellulären Schutzes gerichtet gegen die Induktion der „programmierten Nekrose“ identifiziert werden. Dies ist ebenfalls von klinischer Bedeutung. Tragen Tumorzellen von Tumoren, welche mit methylierenden Agenzien behandelt werden, Mutationen in einem dieser Gene, so muss mit einer vermehrten Induktion von Nekrose und daher mit einer Stimulierung des Immunsystems während der Chemotherapie gerechnet werden. Dies wäre einerseits mit erhöhten Nebenwirkungen, die sich insbesondere durch Entzündungsreaktionen äußern, verbunden. Andererseits zeigen verschiedene Arbeiten, dass die Stimulation des Immunsystems durch sterbende Tumorzellen während der Chemotherapie die Tumorregression positiv beeinflussen kann.

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

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.

Predictive value of the MGMT promoter methylation status in metastatic melanoma patients receiving first-line temozolomide plus bevacizumab in the trial SAKK 50/07

The O6-methylguanine-DNA-methyltransferase (MGMT) promoter methylation status is a predictive parameter for the response of malignant gliomas to alkylating agents such as temozolomide. First clinical trials with temozolomide plus bevacizumab therapy in metastatic melanoma patients are ongoing, although the predictive value of the MGMT promoter methylation status in this setting remains unclear. We assessed MGMT promoter methylation in formalin-fixed, primary tumor tissue of metastatic melanoma patients treated with first-line temozolomide and bevacizumab from the trial SAKK 50/07 by methylation-specific polymerase chain reaction. In addition, the MGMT expression levels were also analyzed by MGMT immunohistochemistry. Eleven of 42 primary melanomas (26%) revealed a methylated MGMT promoter. Promoter methylation was significantly associated with response rates CR + PR versus SD + PD according to RECIST (response evaluation criteria in solid tumors) (p<0.05) with a trend to prolonged median progression-free survival (8.1 versus 3.4 months, p>0.05). Immunohistochemically different protein expression patterns with heterogeneous and homogeneous nuclear MGMT expression were identified. Negative MGMT expression levels were associated with overall disease stabilization CR+PR+SD versus PD (p=0.05). There was only a poor correlation between MGMT methylation and lack of MGMT expression. A significant proportion of melanomas have a methylated MGMT promoter. The MGMT promoter methylation status may be a promising predictive marker for temozolomide therapy in metastatic melanoma patients. Larger sample sizes may help to validate significant differences in survival type endpoints.

[Localised rhabdomyosarcoma of the extremities in children and adolescents: results of the French experience]

PATIENTS AND METHODS: Forty-six patients with localised RMS of the limbs entered the MMT 89 and 95 study in France. We studied potential risk factors that were predictive of relapse and survival to propose a therapeutic approach of surgery and radiotherapy appropriate to the risk of relapse. RESULTS: Median age at diagnosis was 6.5 years [9 months to 15.5 years]. At time of diagnosis, 43% had marginal surgery and only 13% radical intervention. Primary re-excision was performed in 12% of the patients. All patients received chemotherapy, 43% had second look surgery and 37% received radiotherapy. Fifty-four percent of all tumors relapsed: local relapse 36%, nodes l8%, metastatic 40%, local and metastatic 16%. Estimated overall 5-year event-free survival (EFS) and overall survival (OS) were 40 and 57%, respectively. CONCLUSIONS: Prognosis of RMS of the limbs is bad but only 37% of the patients had radiotherapy. We could define patients with very high risk among those with limbs RMS as nodal involvement (5 years overall survival OS 22%), alveolar histology (OS 38%) and site of hand and foot (4 survivors out of 10 patients). In further studies, these patients should be treated even more aggressive with early surgery followed by re-excision if necessary, chemotherapy including alkylating agents and systematic radiotherapy.

Effect of cancer chemotherapy on the frequency of minisatellite repeat number changes in human sperm

The objective of this study was to determine whether cancer chemotherapy induces detectable mutations in DNA of the human germline and whether minisatellite repeat number changes can be used as a sensitive indicator of genetic damage in human sperm caused by mutagens. We compared the mutation frequencies in sperm of the same cancer patients pre- and post-, pre- and during, or during and post-treatment. Small pool polymerase chain reaction (SP-PCR) (DNA equivalent to approximately 100 sperm) and Southern blotting techniques were used to detect mutations and quantify the frequency of repeat number changes at the minisatellite MS205 locus. One pre- and one post-treatment semen sample was obtained from each Hodgkin's disease patient treated with either: (1) a regimen without alkylating agents, Novantrone, Oncovin, Vinblastine, and Prednisone (NOVP), 4 patients; (2) a regimen containing alkylating agents, Cytoxan, Vinblastine, Procarbazine, and Prednisone (CVPP)/Adriamycin, Bleomycin, DTIC, CCNU, and Prednisone (ABDIC), 2 patients; and (3) a regimen containing alkylating agents, Mechlorethamine, Oncovin, Procarbazine, and Prednisone (MOPP), 1 patient. One pre- and one during treatment semen sample from each of two Hodgkin's disease patients treated with Adriamycin, Bleomycin, Vinblastine, and Dacarbazine (ABVD) were obtained. One during and one post-treatment semen sample from a Hodgkin's disease patient treated with NOVP were also obtained. At least 7900 sperm in each sample were screened for the repeat number changes at the MS205 locus by multi-aliquots of SP-PCR. The mutation frequencies of pre- and post-treatment for the four patients treated with NOVP were 0.22 and 0.18%; 0.24 and 0.16%; 0.35 and 0.28%; and 0.19 and 0.18%. With CVPP/ABDIC, they were 0.22 and 0.23%; and 0.94 and 0.98% for the two patients and with MOPP they were 0.79 and 1.14%. The mutation frequencies of pre- and during treatment with ABVD were 0.09 and 0.07%; and 0.34 and 0.27% for the two patients. The mutation frequencies of during and post-treatment with NOVP for one patient were 0.31 and 0.25%. A statistically significant increase in mutation frequency was only found in the patient treated with MOPP. According to the time of samples collected after or during treatment and the above results, we conclude that there is no effect of NOVP and CVPP/ABDIC regimens on the mutation frequency in spermatogonia. The spermatocytes are not highly sensitive to chemotherapy agents compared to spermatogonia at the minisatellite MS205 locus. MOPP treatment may increase the mutation frequency at the MS205 locus in spermatogonia. ^

Chronic lymphocytic leukemia: A study of the changing patterns of the natural history, clinical factors associated with prognosis, and risk of second cancers

A retrospective cohort study was conducted among 1542 patients diagnosed with CLL between 1970 and 2001 at the M. D. Anderson Cancer Center (MDACC). Changes in clinical characteristics and the impact of CLL on life expectancy were assessed across three decades (1970–2001) and the role of clinical factors on prognosis of CLL were evaluated among patients diagnosed between 1985 and 2001 using Kaplan-Meier and Cox proportional hazards method. Among 1485 CLL patients diagnosed from 1970 to 2001, patients in the recent cohort (1985–2001) were diagnosed at a younger age and an earlier stage compared to the earliest cohort (1970–1984). There was a 44% reduction in mortality among patients diagnosed in 1985–1995 compared to those diagnosed in 1970–1984 after adjusting for age, sex and Rai stage among patients who ever received treatment. There was an overall 11 years (5 years for stage 0) loss of life expectancy among 1485 patients compared with the expected life expectancy based on the age-, sex- and race-matched US general population, with a 43% decrease in the 10-year survival rate. Abnormal cytogenetics was associated with shorter progression-free (PF) survival after adjusting for age, sex, Rai stage and beta-2 microglobulin (beta-2M); whereas, older age, abnormal cytogenetics and a higher beta-2M level were adverse predictors for overall survival. No increased risk of second cancer overall was observed, however, patients who received treatment for CLL had an elevated risk of developing AML and HD. Two out of three patients who developed AML were treated with alkylating agents. In conclusion, CLL patients had improved survival over time. The identification of clinical predictors of PF/overall survival has important clinical significance. Close surveillance of the development of second cancer is critical to improve the quality of life of long-term survivors. ^

The human XRCC9 gene corrects chromosomal instability and mutagen sensitivities in CHO UV40 cells

The Chinese hamster ovary (CHO) mutant UV40 cell line is hypersensitive to UV and ionizing radiation, simple alkylating agents, and DNA cross-linking agents. The mutant cells also have a high level of spontaneous chromosomal aberrations and 3-fold elevated sister chromatid exchange. We cloned and sequenced a human cDNA, designated XRCC9, that partially corrected the hypersensitivity of UV40 to mitomycin C, cisplatin, ethyl methanesulfonate, UV, and γ-radiation. The spontaneous chromosomal aberrations in XRCC9 cDNA transformants were almost fully corrected whereas sister chromatid exchanges were unchanged. The XRCC9 genomic sequence was cloned and mapped to chromosome 9p13. The translated XRCC9 sequence of 622 amino acids has no similarity with known proteins. The 2.5-kb XRCC9 mRNA seen in the parental cells was undetectable in UV40 cells. The mRNA levels in testis were up to 10-fold higher compared with other human tissues and up to 100-fold higher compared with other baboon tissues. XRCC9 is a candidate tumor suppressor gene that might operate in a postreplication repair or a cell cycle checkpoint function.

Viral capsid mobility: A dynamic conduit for inactivation

Mass spectrometry and fluorescent probes have provided direct evidence that alkylating agents permeate the protein capsid of naked viruses and chemically inactivate the nucleic acid. N-acetyl-aziridine and a fluorescent alkylating agent, dansyl sulfonate aziridine, inactivated three different viruses, flock house virus, human rhinovirus-14, and foot and mouth disease virus. Mass spectral studies as well as fluorescent probes showed that alkylation of the genome was the mechanism of inactivation. Because particle integrity was not affected by selective alkylation (as shown by electron microscopy and sucrose gradient experiments), it was reasoned that the dynamic nature of the viral capsid acts as a conduit to the interior of the particle. Potential applications include fluorescent labeling for imaging viral genomes in living cells, the sterilization of blood products, vaccine development, and viral inactivation in vivo.

Links between replication and recombination in Saccharomyces cerevisiae: A hypersensitive requirement for homologous recombination in the absence of Rad27 activity

The RAD27 gene of Saccharomyces cerevisiae encodes a 5′-3′ flap exo/endonuclease, which plays an important role during DNA replication for Okazaki fragment maturation. Genetic studies have shown that RAD27 is not essential for growth, although rad27Δ mutants are temperature sensitive. Moreover, they exhibit increased sensitivity to alkylating agents, enhanced spontaneous recombination, and repetitive DNA instability. The conditional lethality conferred by the rad27Δ mutation indicates that other nuclease(s) can compensate for the absence of Rad27. Indeed, biochemical and genetical analyses indicate that Okazaki fragment processing can be assured by other enzymatic activities or by alternative pathways such as homologous recombination. Here we present the results of a screen that makes use of a synthetic lethality assay to identify functions required for the survival of rad27Δ strains. Altogether, we confirm that all genes of the Rad52 recombinational repair pathway are required for the survival of rad27Δ strains at both permissive (23°C) and semipermissive (30°C) temperatures for growth. We also find that several point mutations that confer weaker phenotypes in mitotic than in meiotic cells (rad50S, mre11s) and additional gene deletions (com1/sae2, srs2) exhibit synthetic lethality with rad27Δ and that rad59Δ exhibits synergistic effects with rad27Δ. This and previous studies indicate that homologous recombination is the primary, but not only, pathway that functions to bypass the replication defects that arise in the absence of the Rad27 protein.

Lack of the DNA repair protein O6-methylguanine-DNA methyltransferase in histologically normal brain adjacent to primary human brain tumors.

Exposure to exogenous alkylating agents, particularly N-nitroso compounds, has been associated with increased incidence of primary human brain tumors, while intrinsic risk factors are currently unknown. The DNA repair protein O6-methylguanine-DNA methyltransferase (MGMT) is a major defense against the carcinogenicity of N-nitroso compounds and other alkylators. We report here that in 55% (64/117) of cases, histologically normal brain tissue adjacent to primary human brain tumors lacked detectable MGMT activity [methyl excision repair-defective (Mer-) status]. The incidence of Mer- status in normal brain tissue from brain tumor patients was age-dependent, increasing from 21% in children 0.25-19 years of age to 75% in adults over 50. In contrast, Mer- status was found in 12% (5/43) of normal brain specimens from patients operated for conditions other than primary brain tumors and was not age-dependent. The 4.6-fold elevation in incidence of Mer- status in brain tumor patients is highly significant (chi2 = 24; p < or = 0.001). MGMT activity was independent of age in the lymphocytes of brain tumor patients and was present in lymphocytes from six of nine tumor patients whose normal brain specimen was Mer-. DNA polymerase beta, apurinic/apyrimidinic endonuclease, and lactate dehydrogenase activities were present in all specimens tested, including Mer- specimens from brain tumor patients. Our data are consistent with a model of carcinogenesis in human brain in which epigenetically regulated lack of MGMT is a predisposing factor and alkylation-related mutagenesis is a driving force.

Novel human DNA alkyltransferases obtained by random substitution and genetic selection in bacteria.

DNA repair alkyltransferases protect organisms against the cytotoxic, mutagenic, and carcinogenic effects of alkylating agents by transferring alkyl adducts from DNA to an active cysteine on the protein, thereby restoring the native DNA structure. We used random sequence substitutions to gain structure-function information about the human O6-methylguanine-DNA methyltransferase (EC 2.1.1.63), as well as to create active mutants. Twelve codons surrounding but not including the active cysteine were replaced by a random nucleotide sequence, and the resulting random library was selected for the ability to provide alkyltransferase-deficient Escherichia coli with resistance to the methylating agent N-methyl-N'-nitro-N-nitrosoguanidine. Few amino acid changes were tolerated in this evolutionarily conserved region of the protein. One mutation, a valine to phenylalanine change at codon 139 (V139F), was found in 70% of the selected mutants; in fact, this mutant was selected much more frequently than the wild type. V139F provided alkyltransferase-deficient bacteria with greater protection than the wild-type protein against both the cytotoxic and mutagenic effects of N-methyl-N'-nitro-N-nitrosoguanidine, increasing the D37 over 4-fold and reducing the mutagenesis rate 2.7-5.5-fold. This mutant human alkyltransferase, or others similarly created and selected, could be used to protect bone marrow cells from the cytotoxic side effects of alkylation-based chemotherapeutic regimens.

Overexpression of a Rrp1 transgene reduces the somatic mutation and recombination frequency induced by oxidative DNA damage in Drosophila melanogaster.

Recombination repair protein 1 (Rrp1) includes a C-terminal region homologous to several DNA repair proteins, including Escherichia coli exonuclease III and human APE, that repair oxidative and alkylation damage to DNA. The nuclease activities of Rrp1 include apurinic/apyrimidinic endonuclease, 3'-phosphodiesterase, 3'-phosphatase, and 3'-exonuclease. As shown previously, the C-terminal nuclease region of Rrp1 is sufficient to repair oxidative- and alkylation-induced DNA damage in repair-deficient E. coli mutants. DNA strand-transfer and single-stranded DNA renaturation activities are associated with the unique N-terminal region of Rrp1, which suggests possible additional functions that include recombinational repair or homologous recombination. By using the Drosophila w/w+ mosaic eye system, which detects loss of heterozygosity as changes in eye pigmentation, somatic mutation and recombination frequencies were determined in transgenic flies overexpressing wild-type Rrp1 protein from a heat-shock-inducible transgene. A large decrease in mosaic clone frequency is observed when Rrp1 overexpression precedes treatment with gamma-rays, bleomycin, or paraquat. In contrast, Rrp1 overexpression does not alter the spot frequency after treatment with the alkylating agents methyl methanesulfonate or methyl nitrosourea. A reduction in mosaic clone frequency depends on the expression of the Rrp1 transgene and on the nature of the induced DNA damage. These data suggest a lesion-specific involvement of Rrp1 in the repair of oxidative DNA damage.

Forced evolution of glutathione S-transferase to create a more efficient drug detoxication enzyme.

Glutathione S-transferases (EC 2.5.1.18) in mammalian cells catalyze the conjugation, and thus, the detoxication of a structurally diverse group of electrophilic environmental carcinogens and alkylating drugs, including the antineoplastic nitrogen mustards. We proposed that structural alteration of the nonspecific electrophile-binding site would produce mutant enzymes with increased efficiency for detoxication of a single drug and that these mutants could serve as useful somatic transgenes to protect healthy human cells against single alkylating agents used in cancer chemotherapy protocols. Random mutagenesis of three regions (residues 9-14, 102-112, and 210-220), which together compose the glutathione S-transferase electrophile-binding site, followed by selection of Escherichia coli expressing the enzyme library with the nitrogen mustard mechlorethamine (20-500 microM), yielded mutant enzymes that showed significant improvement in catalytic efficiency for mechlorethamine conjugation (up to 15-fold increase in kcat and up to 6-fold increase in kcat/Km) and that confer up to 31-fold resistance, which is 9-fold greater drug resistance than that conferred by the wild-type enzyme. The results suggest a general strategy for modification of drug- and carcinogen-metabolizing enzymes to achieve desired resistance in both prokaryotic and eukaryotic plant and animal cells.

Copper-Catalyzed Asymmetric Alkylation of β-Keto Esters with Xanthydrols

The copper(II) triflate-tert-butyl-bisoxazoline [Cu(OTf)2-t-Bu-BOX]-catalyzed asymmetric alkylation of β-keto esters using free benzylic alcohols such as xanthydrols, as alkylating agents, is herein described for the first time. This green protocol renders in general the corresponding products with good results in terms of both yields and enantioselectivities using different keto esters, even when quaternary stereocenters were created. The scope, limitations and mechanistic aspects of the process are also discussed.