Untersuchungen zum Mechanismus der Zytotoxizität von alkylierenden Agenzien in malignen Melanomzellen

Maligne Melanome sind gegenüber Chemotherapeutika relativ resistent. Das methylierende Alkylanz Temozolomid sowie das chlorethylierende und DNA-Interstrand Crosslink (ICL) bildende Alkylanz Fotemustin kommen bei der Behandlung des malignen Melanoms als Mittel erster Wahl zum Einsatz. In der vorliegenden Arbeit konnte das erste Mal nachgewiesen werden, dass die zytotoxische Wirkung von Temozolomid und Fotemustin in Melanomzellen durch Apoptose vermittelt wird. Unter Verwendung klinisch relevanter Dosen der beiden Alkylantien konnte die Induktion von Apoptose durch vier unabhängige Methoden (Bestimmung der SubG1-Fraktion und der Apoptose- / Nekrose-Frequenz, Aktivierung der Effektorcaspasen-3 und -7 sowie Spaltung von PARP-1) nachgewiesen werden. Die Alkylierungen an der O6-Position des Guanins, welche durch beide Agenzien induziert werden, sind auch in Melanomzellen die wichtigsten Zytotoxizität-bewirkenden Läsionen in der DNA, und die O6-Methylguanin-DNA-Methyltransferase (MGMT) ist folglich ein herausragender Resistenzmarker. Eine der verwendeten Zelllinien (D05) exprimierte p53-Wildtypprotein. Diese Zelllinie war resistenter als alle anderen Zelllinien gegenüber Temozolomid und Fotemustin. Dies weist darauf hin, dass p53 nicht die Apoptoseinduktion in Melanomzellen verstärkt. Die Prozessierung des O6MeG erfolgt über die Mismatch-Reparatur (MMR) unter Generierung von DNA-Doppelstrangbrüchen (DSBs). Die Untersuchung der durch Temozolomid induzierten DSBs, nachgewiesen durch gammaH2AX-Induktion, korrelierte direkt mit der apoptotischen Antwort von Melanomzelllinien und DSBs können somit als eine entscheidende apoptoseauslösende Größe angesehen werden. Eine Resistenz gegenüber dem methylierenden Temozolomid in der Zelllinie MZ7 konnte auf einen Defekt in der MMR-Schadenserkennung auf der Ebene des MutSalpha-Komplexes zurückgeführt werden. Dieser Defekt hatte keinen Einfluss auf die Fotemustin-vermittelte Apoptoseinduktion. Neben MGMT konnte somit die MMR als Resistenzfaktor gegenüber methylierenden Agenzien in Melanomen identifiziert werden. Die Fotemustin-induzierte Apoptose wurde in Melanomzelllinien im Detail untersucht. Es konnte erstmals gezeigt werden, dass Fotemustin-bedingte ICLs in Zellen einen G2/M-Arrest im Behandlungszyklus induzieren. Wie anhand G1-arretierter Zellen nachgewiesen werden konnte, war das Durchlaufen der DNA-Replikation vor Erreichen des Arrests für die Induktion der Apoptose notwendig. Die Prozessierung von ICLs ist im Vergleich zu Methylierungen der DNA deutlich komplexer. Dies könnte erklären, warum in Melanomzellen die durch gammaH2AX-Induktion repräsentierten DSBs nicht mit der Sensitivität der einzelnen Zelllinien korreliert. Die Untersuchung unterschiedlich sensitiver Zelllinien zeigte ein vergleichbares Schadensniveau an ICLs und eine ebenso vergleichbare initiale Prozessierung derselben unter Generierung von DSBs. Die Prozessierung dieser sekundären Läsionen, welche anhand der Abnahme von gammaH2AX-Foci untersucht wurde, war hingegen in der sensitiveren Melanomzelllinie deutlich weniger effektiv. Es konnte weiterhin nachgewiesen werden, dass eine uneffektive Prozessierung der sekundären Läsionen einhergeht mit einer verstärkten und länger anhaltenden Aktivierung der in der DSB-Detektion beteiligten Kinase ATM und der Checkpoint Kinase 1. Es wäre daher denkbar, dass eine verstärkte Aktivität dieser Kinasen proapoptotische Signale vermittelt. Unterschiede in der Prozessierung der sekundären Läsionen könnten somit ein wichtiger Marker der ICL-induzierten Apoptose darstellen. Des weitern konnte nachgewiesen werden, dass nach Fotemustingabe die mitochondrial-vermittelte Apoptose einen effektiven Exekutionsweg in Melanomen darstellt. Während Cytochrom C-Freigabe, Bcl-2-Abnahme an den Mitochondrien, Bax-Rekrutierung und Caspase-9 Aktivität nachgewiesen werden konnten, wurden keine Hinweise auf eine Fas-Rezeptor-vermittelte Apoptose gefunden. Die Unfähigkeit, Rezeptor-vermittelte Apoptose zu unterlaufen, könnte die Bedeutungslosigkeit des p53-Gens in Melanomen begründen, da gerade dieser Weg in der Alkylantien-induzierten Apoptose in anderen Zellsystemen eine große Relevanz besitzt. Bei der Suche nach einem alternativen proapoptotischen Signalweg konnten Hinweise für die Beteiligung des Rb/E2F-1-Wegs, welcher über p73 agiert, in einer p53-mutierten Melanomzelllinie gefunden werden. Einen Einfluss der Proteine Survivin und XIAP als Resistenzfaktoren auf die Fotemustin-induzierte Apoptose wurde hingegen nicht nachgewiesen.

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.

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.

Human MutSalpha recognizes damaged DNA base pairs containing O6-methylguanine, O4-methylthymine, or the cisplatin-d(GpG) adduct.

Bacterial and mammalian mismatch repair systems have been implicated in the cellular response to certain types of DNA damage, and genetic defects in this pathway are known to confer resistance to the cytotoxic effects of DNA-methylating agents. Such observations suggest that in addition to their ability to recognize DNA base-pairing errors, members of the MutS family may also respond to genetic lesions produced by DNA damage. We show that the human mismatch recognition activity MutSalpha recognizes several types of DNA lesion including the 1,2-intrastrand d(GpG) crosslink produced by cis-diamminedichloroplatinum(II), as well as base pairs between O6-methylguanine and thymine or cytosine, or between O4-methylthymine and adenine. However, the protein fails to recognize 1,3-intrastrand adduct produced by trans-diamminedichloroplatinum(II) at a d(GpTpG) sequence. These observations imply direct involvement of the mismatch repair system in the cytotoxic effects of DNA-methylating agents and suggest that recognition of 1,2-intrastrand cis-diamminedichloroplatinum(II) adducts by MutSalpha may be involved in the cytotoxic action of this chemotherapeutic agent.

Thermostable archaeal O6-alkylguanine-DNA alkyltransferases

Archaea represent some of the most ancient organisms on earth, and they have relatively uncharacterized DNA repair processes. We now show, using an in vitro assay, that extracts of two Crenarchaeota (Sulfolobus acidocaldarius and Pyrobaculum islandicum) and two Euryarchaeota (Pyrococcus furiosus and Thermococcus litoralis) contain the DNA repair protein O6-alkylguanine-DNA alkyltransferase (ATase). The ATase activities found in the archaea were extremely thermostable, with half-lives at 80°C ranging from 0.5 hr (S. acidocaldarius) to 13 hr (T. litoralis). The temperature optima of the four proteins ranged from ≈75 to ≈100°C, although activity was seen at 37°C, the temperature optimum of the Escherichia coli and human ATases. In all cases, preincubaton of extracts with a short oligonucleotide containing a single O6-methylguanine residue caused essentially complete loss of ATase activity, suggesting that the alkylphosphotriester-DNA alkyltransferase activity seen in some prokaryotes is not present in Archaea. The ATase from Pyrobaculum islandicum had an apparent molecular mass of 15 kDa, making it the smallest of these proteins so far described. In higher organisms, ATase is responsible for the repair of toxic and mutagenic O6-alkylguanine lesions in alkylated DNA. The presence of ATase in these primitive organisms therefore suggests that endogenous or exogenous exposure to agents that generate appropriate substrates in DNA may be an early event in evolution.

Functional analysis of a conserved DNA methyltransferase in caulobacter crescentus

CcrM is a DNA methyltransferase that methylates the adenine in GANTC motifs in the chromo-some of the bacterial model Caulobacter crescentus. The loss of the CcrM homolog is lethal in C. crescentus and in several other species of Alphaproteobacteria. In this research, we used different experimental and bioinformatic approaches to determine why CcrM is so critical to the physiology of C. crescentus. We first showed that CcrM is a resident orphan DNA methyltransferase in non-Rickettsiales Alphaproteobacteria and that its gene is strictly conserved in this clade (with only one ex¬ception among the genomes sequenced so far). In C. crescentus, cells depleted in CcrM in rich medium quickly lose viability and present an elongated phenotype characteristic of an im¬pairment in cell division. Using minimal medium instead of rich medium as selective and main¬tenance substrate, we could generate a AccrM mutant that presents a viability comparable to the wild type strain and only mild morphological defects. On the basis of a transcriptomic ap¬proach, we determined that several genes essential for cell division were downregulated in the AccrM strain in minimal medium. We offered decisive arguments to support that the efficient transcription of two of these genes, ftsZ and mipZ, coding respectively for the Z-ring forming GTPase FtsZ and an inhibitor of FtsZ polymerization needed for the correct positioning of the Z- ring at mid-cell, requires the methylation of an adenine in a conserved GANTC motif located in their core promoter region. We propose a model, according to which the genome of C. crescentus encodes a transcriptional activator that requires a methylated adenine in a GANTC context to bind to DNA and suggest that this transcriptional regulator might be the global cell-cycle regulator GcrA. In addition, combining a classic genetic approach and in vitro evolution experiments, we showed that the mortality and cell division defects of the AccrM strain in rich medium are mainly due to limiting intracellular levels of the FtsZ protein. We also studied the dynamics of GANTC methylation in C. crescentus using the SMRT technol¬ogy developed by Pacific Biosciences. Our findings support the commonly accepted model, accord¬ing to which the methylation state of GANTC motifs varies during the cell cycle of C. crescentus: before the initiation of DNA replication, the GANTC motifs are fully-methylated (methylated on both strands); when the DNA gets replicated, the GANTC motifs become hemi-methylated (methyl¬ated on one strand only) and this occurs at different times during replication for different loci along the chromosome depending on their position relative to the origin of replication; the GANTC mo¬tifs are only remethylated after DNA replication has finished as a consequence of the massive and short-lived expression of CcrM in predivisional cells. About 30 GANTC motifs in the C. crescentus chromosome were found to be undermethylated in most of the bacterial population; these might be protected from CcrM activity by DNA binding proteins and some of them could be involved in methylation-based bistable transcriptional switches. - CcrM est une ADN méthyltransférase qui méthyle les adénines dans le contexte GANTC dans le génome de la bactérie modèle Caulobacter crescentus. La perte de l'homologue de CcrM chez C. crescentus et chez plusieurs autres espèces d'Alphaproteobactéries est létale. Dans le courant de cette recherche, nous tentons de déterminer pourquoi la protéine CcrM est cruciale pour la survie de C. crescentus. Nous démontrons d'abord que CcrM est une adénine méthyltransférase orpheline résidente, dont le gène fait partie du génome minimal partagé par les Alphaprotéobactéries non-Rickettsiales (à une exception près). Lorsqu'une souche de C. crescentus est privée de CcrM, sa viabilité décroît rapi¬dement et ses cellules présentent une morphologie allongée qui suggère que la division cellulaire est inhibée. Nous sommes parvenus à créer une souche AccrM en utilisant un milieu minimum, au lieu du milieu riche classiquement employé, comme milieu de sélection et de maintenance pour la souche. Lorsque nous avons étudié le transcriptome de cette souche de C. crescentus privée de CcrM, nous avons pu constater que plusieurs gènes essentiels pour le bon déroulement de la division cellulaire bactérienne étaient réprimés. En particulier, l'expression adéquate des gènes ftsZ et mipZ - qui codent, respectivement, pour FtsZ, la protéine qui constitue, au milieu de la cellule, un anneau protéique qui initie le processus de division et pour MipZ, un inhibiteur de la polymérisation de FtsZ qui est indispensable pour le bon positionnement de l'anneau FtsZ - est dépendante de la présence d'une adénine méthylée dans un motif GANTC conservé situé dans leur région promotrice. Nous présentons un modèle selon lequel le génome de C. crescentus code pour un facteur de transcription qui exige la présence d'une adénine méthylée dans un contexte GANTC pour s'attacher à l'ADN et nous suggérons qu'il pourrait s'agir du régulateur global du cycle cellulaire GcrA. En outre, nous montrons, en combinant la génétique classique et une approche basée sur l'évolution expérimentale, que la mortalité et l'inhibition de la division cellulaire caractéristiques de la souche àccrMeη milieu riche sont dues à des niveaux excessivement bas de protéine FtsZ. Nous avons aussi étudié la dynamique de la méthylation du chromosome de C. crescentus sur la base de la technologie SMRT développée par Pacific Biosciences. Nous confirmons le modèle communément accepté, qui affirme que l'état de méthylation des motifs GANTC change durant le cycle cellulaire de C. crescentus: les motifs GANTC sont complètement méthylés (méthylés sur les deux brins) avant de début de la réplication de l'ADN; ils deviennent hémi-méthylés (méthylés sur un brin seulement) une fois répliqués, ce qui arrive à différents moments durant la réplication pour différents sites le long du chromosome en fonction de leur position par rapport à l'origine de répli-cation; finalement, les motifs GANTC sont reméthylés après la fin de la réplication du chromosome lorsque la protéine CcrM est massivement, mais très transitoirement, produite. Par ailleurs, nous identifions dans le chromosome de C. crescentus environ 30 motifs GANTC qui restent en perma-nence non-méthylés dans une grande partie de la population bactérienne; ces motifs sont probable-ment protégés de l'action de CcrM par des protéines qui s'attachent à l'ADN et certains d'entre eux pourraient être impliqués dans des mécanismes de régulation générant une transcription bistable.

Alkylpurine-DNA-N-glycosylase confers resistance to temozolomide in xenograft models of glioblastoma multiforme and is associated with poor survival in patients.

Glioblastoma multiforme (GBM) is the most common and lethal of all gliomas. The current standard of care includes surgery followed by concomitant radiation and chemotherapy with the DNA alkylating agent temozolomide (TMZ). O⁶-methylguanine-DNA methyltransferase (MGMT) repairs the most cytotoxic of lesions generated by TMZ, O⁶-methylguanine. Methylation of the MGMT promoter in GBM correlates with increased therapeutic sensitivity to alkylating agent therapy. However, several aspects of TMZ sensitivity are not explained by MGMT promoter methylation. Here, we investigated our hypothesis that the base excision repair enzyme alkylpurine-DNA-N-glycosylase (APNG), which repairs the cytotoxic lesions N³-methyladenine and N⁷-methylguanine, may contribute to TMZ resistance. Silencing of APNG in established and primary TMZ-resistant GBM cell lines endogenously expressing MGMT and APNG attenuated repair of TMZ-induced DNA damage and enhanced apoptosis. Reintroducing expression of APNG in TMZ-sensitive GBM lines conferred resistance to TMZ in vitro and in orthotopic xenograft mouse models. In addition, resistance was enhanced with coexpression of MGMT. Evaluation of APNG protein levels in several clinical datasets demonstrated that in patients, high nuclear APNG expression correlated with poorer overall survival compared with patients lacking APNG expression. Loss of APNG expression in a subset of patients was also associated with increased APNG promoter methylation. Collectively, our data demonstrate that APNG contributes to TMZ resistance in GBM and may be useful in the diagnosis and treatment of the disease.

Genomic Adaptations to the Loss of a Conserved Bacterial DNA Methyltransferase.

UNLABELLED: CcrM is an orphan DNA methyltransferase nearly universally conserved in a vast group of Alphaproteobacteria. In Caulobacter crescentus, it controls the expression of key genes involved in the regulation of the cell cycle and cell division. Here, we demonstrate, using an experimental evolution approach, that C. crescentus can significantly compensate, through easily accessible genetic changes like point mutations, the severe loss in fitness due to the absence of CcrM, quickly improving its growth rate and cell morphology in rich medium. By analyzing the compensatory mutations genome-wide in 12 clones sampled from independent ΔccrM populations evolved for ~300 generations, we demonstrated that each of the twelve clones carried at least one mutation that potentially stimulated ftsZ expression, suggesting that the low intracellular levels of FtsZ are the major burden of ΔccrM mutants. In addition, we demonstrate that the phosphoenolpyruvate-carbohydrate phosphotransfer system (PTS) actually modulates ftsZ and mipZ transcription, uncovering a previously unsuspected link between metabolic regulation and cell division in Alphaproteobacteria. We present evidence that point mutations found in genes encoding proteins of the PTS provide the strongest fitness advantage to ΔccrM cells cultivated in rich medium despite being disadvantageous in minimal medium. This environmental sign epistasis might prevent such mutations from getting fixed under changing natural conditions, adding a plausible explanation for the broad conservation of CcrM. IMPORTANCE: In bacteria, DNA methylation has a variety of functions, including the control of DNA replication and/or gene expression. The cell cycle-regulated DNA methyltransferase CcrM modulates the transcription of many genes and is critical for fitness in Caulobacter crescentus. Here, we used an original experimental evolution approach to determine which of its many targets make CcrM so important physiologically. We show that populations lacking CcrM evolve quickly, accumulating an excess of mutations affecting, directly or indirectly, the expression of the ftsZ cell division gene. This finding suggests that the most critical function of CcrM in C. crescentus is to promote cell division by enhancing FtsZ intracellular levels. During this work, we also discovered an unexpected link between metabolic regulation and cell division that might extend to other Alphaproteobacteria.

O6-carboxymethylguanine DNA adduct formation and lipid peroxidation upon in vitro gastrointestinal digestion of haem-rich meat

Scope Epidemiological and clinical studies have demonstrated that the consumption of red haem-rich meat may contribute to the risk of colorectal cancer. Two hypotheses have been put forward to explain this causal relationship, i.e. N-nitroso compound (NOC) formation and lipid peroxidation (LPO). Methods and Results In this study, the NOC-derived DNA adduct O6-carboxymethylguanine (O6-CMG) and the LPO product malondialdehyde (MDA) were measured in individual in vitro gastrointestinal digestions of meat types varying in haem content (beef, pork, chicken). While MDA formation peaked during the in vitro small intestinal digestion, alkylation and concomitant DNA adduct formation was observed in seven (out of 15) individual colonic digestions using separate faecal inocula. From those, two haem-rich meat digestions demonstrated a significantly higher O6-CMG formation (p < 0.05). MDA concentrations proved to be positively correlated (p < 0.0004) with haem content of digested meat. The addition of myoglobin, a haem-containing protein, to the digestive simulation showed a dose–response association with O6-CMG (p = 0.004) and MDA (p = 0.008) formation. Conclusion The results suggest the haem-iron involvement for both the LPO and NOC pathway during meat digestion. Moreover, results unambiguously demonstrate that DNA adduct formation is very prone to inter-individual variation, suggesting a person-dependent susceptibility to colorectal cancer development following haem-rich meat consumption.

Untersuchungen zur Regulation der Basenfehlpaarungsreparatur und zur Zytostatikaresistenz in Säugerzellen

In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, daß eine Behandlung von Säugerzellen mit O6-Methylguanin generierenden Substanzen zu einer Zunahme der GT-Bindungsaktivität und zu einer Translokation der MMR-Proteine MSH2, MSH6 und PMS2 aus dem Cytoplasma in den Zellkern führt. Versuche mit MSH6-defizienten DLD1-Zellen und Coimmunpräzipitationsversuche zeigten, daß der MutSalpha-Komplex (MSH2+MSH6) bereits im Cytoplasma gebildet wird und daß die Translokation von MSH2 nur im Komplex mit MSH6 erfolgt. Durch die Untersuchung von Zellinien mit unterschiedlichem MGMT-Status konnte gezeigt werden, daß der DNA-Alkylierungsschaden O6-Methylguanin (O6-MeG) in Form des O6-MeGC oder O6-MeGT-Basenpaars das initiale Signal für die nukleäre Translokation von MutSalpha darstellt. Untersuchungen zur post-translationalen Modifikation der MMR-Proteine zeigten, daß MSH2 und MSH6 sowohl in vivo als auch in vitro durch die Proteinkinase C (PKC) und die Casein Kinase II (CKII) phosphoryliert werden. Es konnte gezeigt werden, daß die Phosphorylierung von MutSalpha die Effektivität der Bindung an Basenfehlpaarungen beeinflußt, da unphosphoryliertes MutSalpha in vitro nicht effektiv an GT-Fehlpaarungen binden kann. Bei der Untersuchung der Resistenzentwicklung von Melanomzellen gegenüber Zytostatika konnte gezeigt werden daß die Resistenz gegenüber Fotemustin auf einer Erhöhung der Menge des Reparaturproteins O6-Methylguanin-DNA-Methyltransferase (MGMT) beruht. Die Reaktivierung des MGMT-Gens beruht seinerseits auf einer CpG-Hypermethylierung im kodierenden Bereichs des Gens.

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.

Complementation of methylation deficiency in embryonic stem cells by a DNA methyltransferase minigene

Previous attempts to express functional DNA cytosine methyltransferase (EC 2.1.1.37) in cells transfected with the available Dnmt cDNAs have met with little or no success. We show that the published Dnmt sequence encodes an amino terminal-truncated protein that is tolerated only at very low levels when stably expressed in embryonic stem cells. Normal expression levels were, however, obtained with constructs containing a continuation of an ORF with a coding capacity of up to 171 amino acids upstream of the previously defined start site. The protein encoded by these constructs comigrated in SDS/PAGE with the endogenous enzyme and restored methylation activity in transfected cells. This was shown by functional rescue of Dnmt mutant embryonic stem cells that contain highly demethylated genomic DNA and fail to differentiate normally. When transfected with the minigene construct, the genomic DNA became remethylated and the cells regained the capacity to form teratomas that displayed a wide variety of differentiated cell types. Our results define an amino-terminal domain of the mammalian MTase that is crucial for stable expression and function in vivo.

Inhibition of DNA methyltransferase stimulates the expression of signal transducer and activator of transcription 1, 2, and 3 genes in colon tumor cells

Inhibitors of DNA methyltransferase, typified by 5-aza-2′-deoxycytidine (5-Aza-CdR), induce the expression of genes transcriptionally down-regulated by de novo methylation in tumor cells. We utilized gene expression microarrays to examine the effects of 5-Aza-CdR treatment in HT29 colon adenocarcinoma cells. This analysis revealed the induction of a set of genes that implicated IFN signaling in the HT29 cellular response to 5-Aza-CdR. Subsequent investigations revealed that the induction of this gene set correlates with the induction of signal transducer and activator of transcription (STAT) 1, 2, and 3 genes and their activation by endogenous IFN-α. These observations implicate the induction of the IFN-response pathway as a major cellular response to 5-Aza-CdR and suggests that the expression of STATs 1, 2, and 3 can be regulated by DNA methylation. Consistent with STAT’s limiting cell responsiveness to IFN, we found that 5-Aza-CdR treatment sensitized HT29 cells to growth inhibition by exogenous IFN-α2a, indicating that 5-Aza-CdR should be investigated as a potentiator of IFN responsiveness in certain IFN-resistant tumors.

The DNMT3B DNA methyltransferase gene is mutated in the ICF immunodeficiency syndrome

DNA methylation is an important regulator of genetic information in species ranging from bacteria to humans. DNA methylation appears to be critical for mammalian development because mice nullizygous for a targeted disruption of the DNMT1 DNA methyltransferase die at an early embryonic stage. No DNA methyltransferase mutations have been reported in humans until now. We describe here the first example of naturally occurring mutations in a mammalian DNA methyltransferase gene. These mutations occur in patients with a rare autosomal recessive disorder, which is termed the ICF syndrome, for immunodeficiency, centromeric instability, and facial anomalies. Centromeric instability of chromosomes 1, 9, and 16 is associated with abnormal hypomethylation of CpG sites in their pericentromeric satellite regions. We are able to complement this hypomethylation defect by somatic cell fusion to Chinese hamster ovary cells, suggesting that the ICF gene is conserved in the hamster and promotes de novo methylation. ICF has been localized to a 9-centimorgan region of chromosome 20 by homozygosity mapping. By searching for homologies to known DNA methyltransferases, we identified a genomic sequence in the ICF region that contains the homologue of the mouse Dnmt3b methyltransferase gene. Using the human sequence to screen ICF kindreds, we discovered mutations in four patients from three families. Mutations include two missense substitutions and a 3-aa insertion resulting from the creation of a novel 3′ splice acceptor. None of the mutations were found in over 200 normal chromosomes. We conclude that mutations in the DNMT3B are responsible for the ICF syndrome.