Studio della subunità epsilon della DNA polimerasi III di Escherichia coli: stabilità e interazione con la subunità polimerasica

Faithful replication of DNA from one generation to the next is crucial for long-term species survival. Genomic integrity in prokaryotes, archaea and eukaryotes is dependent on efficient and accurate catalysis by multiple DNA polymerases. Escherichia coli possesses five known DNA polymerases (Pol). DNA polymerase III holoenzyme is the major replicative polymerase of the Escherichia coli chromosome (Kornberg, 1982). This enzyme contains two Pol III cores that are held together by a t dimer (Studwell-Vaughan and O’Donnell, 1991). The core is composed of three different proteins named α-, ε- and θ-subunit. The α-subunit, encoded by dnaE, contains the catalytic site for DNA polymerisation (Maki and Kornberg, 1985), the ε-subunit, encoded by dnaQ, contains the 3′→5′ proofreading exonuclease (Scheuermann, et al., 1983) and the θ-subunit, encoded by hole, that has no catalytic activity (Studwell-Vaughan, and O'Donnell, 1983). The three-subunit α–ε–θ DNA pol III complex is the minimal active polymerase form purified from the DNA pol III holoenzyme complex; these three polypeptides are tightly associated in the core (McHenry and Crow, 1979) Despite a wealth of data concerning the properties of DNA polymerase III in vitro, little information is available on the assembly in vivo of this complex enzyme. In this study it is shown that the C-terminal region of the proofreading subunit is labile and that the ClpP protease and the molecular chaperones GroL and DnaK control the overall concentration in vivo of ε. Two α-helices (comprising the residues E311-M335 and G339-D353, respectively) of the N-terminal region of the polymerase subunit were shown to be essential for the binding to ε. These informations could be utilized to produce a conditional mutator strain in which proofreading activity would be titrated by a a variant that can only bind e and that is polymerase-deficient. In this way the replication of DNA made by DNA Pol-III holoenzyme would accordingly become error-prone.

Salt stress responses in pear and quince: physiological and molecular aspects

The productivity of agricultural crops is seriously limited by salinity. This problem is rapidly increasing, particularly in irrigated lands. Like almost all the fruit tree species, Pyrus communis is generally considered a salt sensitive species, but only little information is available on its behavior under saline conditions. Previous studies, carried out in the Department of Fruit Tree and Woody Plant Science (University of Bologna), focused their attention on pear and quince salt stress responses to understand which rootstock would be the most suitable for pear in order to tolerate a salt stress condition. It has been reported that pear and quince have different ability in the uptake, translocation and accumulation of chloride (Cl-) and sodium (Na+) ions, when plants were irrigated for one season with saline water (5 dS/m). The aim of the present work was to deepen these aspects and investigate salt stress responses in pear and quince. Two different experiments have been performed: a “short-term” trial in a growth chamber and a “long-term” experiment in the open field. In the short-term experiment, three different genotypes usually adopted as pear rootstocks (MC, BA29 and Farold®40) and the pear variety Abbé Fétel own rooted have been compared under salt stress conditions. The trial was performed in a hydroponic culture system, applying a 90 mM NaCl stress to half of the plants, after five weeks of normal growth in Hoagland’s solution. During the three-weeks of salt stress treatment, physiological, mineral and molecular analyses were performed in order to monitor, for each genotype, the development of the salt stress responses in comparison with the corresponding “unstressed” plants. Farold®40 and Abbé Fétel own rooted showed the onset of leaf necrosis, due to salt toxicity, one week before quinces. Moreover, quinces displayed a significant delay in premature senescence of old leaves, while pears emerged for their ability to regenerate new leaves from apparently dead foliage with the salt stress still running. Physiological measurements, such as shoots length, chlorophyll (Chl) content, and photosynthesis, have been carried out and revealed that pears exhibited a significant reduction in water content and a wilting aspect, while for quinces a decrease in Chl content and a growth slowdown were observed. At the end of the trial, all plants were collected and organs separated for dry weight estimation and mineral analyses (Cu, Fe, Mn, Zn Mg, Ca, K, Na and Cl). Mineral contents have been affected by salinity; same macro/micro nutrients were altered in some organs or relocated within the plant. This plant response could have partially contributed to face the salt stress. Leaves and roots have been harvested for molecular analyses at four different times during stress conditions. Molecular analyses consisted of the gene expression study of three main ion transporters, well known in Arabidopsis thaliana as salt-tolerance determinants in the “SOS” pathway: NHX1 (tonoplast Na+/H+ antiporter), SOS1 (plasmalemma Na+/H+ antiporter) and HKT1 (K+ high-affinity and Na+ low-affinity transporter). These studies showed that two quince rootstocks adopted different responsive mechanisms to NaCl stress. BA29 increased its Na+ sequestration activity into leaf vacuoles, while MC enhanced temporarily the same ability, but in roots. Farold®40, instead, exhibited increases in SOS1 and HKT1 expression mainly at leaf level in the attempt to retrieve Na+ from xylem, while Abbé Fétel differently altered the expression of these genes in roots. Finally, each genotype showed a peculiar response to salt stress that was the sum of its ability in Na+ exclusion, osmotic tolerance and tissue tolerance. In the long-term experiment, potted trees of the pear variety Abbé Fétel grafted on different rootstocks (MC, BA29 and Farold®40), or own rooted and also rootstocks only were subjected to a salt stress through saline water irrigation with an electrical conductivity of 5 dS/m for two years. The purposes of this study were to evaluate salinity effects on physiological (shoot length, number of buds, photosynthesis, etc.) and yield parameters of cultivar Abbé Fétel in the different combinations and to determine the salt amount that pear is able to tolerate over the years. With this work, we confirmed the previous hypothesis that pear, despite being classified as a salt-sensitive fruit tree, can be cultivated for two years under saline water irrigation, without showing any salt toxicity symptoms or severe drawbacks on plant development and production. Among different combinations, Abbé Fétel grafted on MC resulted interesting for its peculiar behaviors under salt stress conditions. In the near future, further investigations on physiological and molecular aspects will be necessary to enrich and broaden the knowledge of salt stress responses in pear.

p300/CBP tyrosine phosphorylation in response to dna damage activated by c-Abl tyrosine kinase

The nuclear signaling that is triggered in response to DNA damage entails the recruitment and assembly of repair proteins and the induction of genes involved in the activation of cell cycle checkpoint, apoptosis or senescence. The extensive changes in chromatin structure underlying these processes suggest that chromatin-modifying enzymes could be relevant targets of DNA damage-activated signaling. The acetyltransferases p300 and CBP participate in DNA damage-activated responses, including local histone hyperacetylation, cell cycle regulation, and co-activation of DNA damage activated proteins, such as p53, p73 and BRCA1. However, the link between DNA damage and p300/CBP activation has not been identified.We have detected p300 tyrosine phosphorylation in response to DNA damage. We show that the DNA damage-activated cAbl tyrosine kinase enters the nuclei of cells exposed to genotoxic agents and phosphorylates p300 on a tyrosine residue within the bromodomain that is conserved in p300, CBP and many other bromodomain-containing proteins. Antibodies against tyrosine phosphorylated p300/CBP show a DNA damage-inducible nuclear staining, suggesting that p300 tyrosine phosphorylation is an event linking DNA damage and chromatin modifications.

Sindrome di Down e fattori di rischio nel declino neurocognitivo

Down syndrome (DS) or Trisomy 21, occurring in 1/700 and 1/1000 livebirths, is the most common genetic disorder, characterized by a third copy of the human chromosome 21 (Hsa21). DS is associated with various defects, including congenital heart diseases, craniofacial abnormalities, immune system dysfunction, mental retardation (MR), learning and memory deficiency. The phenotypic features in DS are a direct consequence of overexpression of genes located within the triplicated region on Hsa21. In addition to developmental brain abnormalities and disabilities, people with DS by the age of 30-40 have a greatly increased risk of early-onset of Alzheimer’s disease (AD) and an apparent tendency toward premature aging. Many of the immunological anomalies in DS can be enclosed in the spectrum of multiple signs of early senescence. People with DS have an increased vulnerability to oxidative damage and many factors, including amyloid beta protein (Abeta), genotype ApoE4, oxidative stress, mutations in mitochondrial DNA (mtDNA), impairment of antioxidant enzymes, accelerated neuronal cell apoptosis, are related to neuronal degeneration and early aging in DS. SUBJECTS and METHODS: Since 2007 a population of 50 adolescents and adults with DS, 26 males and 24 females (sex-ratio: M/F = 1.08), has been evaluated for the presence of neurological features, biomarkers and genetic factors correlated with neuronal degeneration and premature aging. The control group was determined by the mother and the siblings of the patients. A neuropsychiatric evaluation was obtained from all patients. The levels of thyroid antibodies (antiTg and antiTPO) and of some biochemical markers of oxidative stress, including homocysteine (tHcy), uric acid, cobalamin, folate were measured. All patients, the mother and the siblings were genotyped for ApoE gene. RESULTS: 40% of patients, with a mild prevalence of females aged between 19 and 30 years, showed increased levels of antiTg and antiTPO. The levels of tHcy were normal in 52% patients and mildly increased in 40%; hyperomocysteinemia was associated with normal levels of thyroid antibodies in 75% of patients (p<0.005). The levels of uric acid were elevated in 26%. Our study showed a prevalence of severe MR in patients aged between 1-18 years and over 30 years. Only 3 patients, 2 females and one male, over 30 years of age, showed dementia. According to the literature, the rate of Down left-handers was high (25%) compared to the rest of population and the laterality was associated with increased levels of thyroid antibodies (70%). 21.5% of patients were ApoE4 positive (ApoE4+) with a mean/severe MR. CONCLUSIONS: Until now no biochemical evidence of oxidative damage and no deficiency or alteration of antioxidant function in our patients with DS were found. mtDNA sequencing could show some mutations age-related and associated with oxidative damage and neurocognitive decline in the early aging of DS. The final aim is found predictive markers of early-onset dementia and a target strategy for the prevention and the treatment of diseases caused by oxidative stress. REFERENCES: 1) Rachidi M, Lopes C: “Mental retardation and associated neurological dysfunctions in Down syndrome: a consequence of dysregulation in critical chromosome 21 genes and associated molecular pathways.” - Eur J Paediatr Neurol. May;12(3):168-82 (2008). 2) Lott IT, Head E: “Down syndrome and Alzheimer's disease: a link between development and aging.” - Ment Retard Dev Disabil Res Rev, 7(3):172-8 (2001). 3) Lee HC, Wei YH: “Oxidative Stress, Mitochondrial DNA Mutation, and Apoptosis in Aging.” - Exp Biol Med (Maywood), May;232(5):592-606 (2007).

Konditionale Modellsysteme zur Untersuchung der ERBB2-induzierten Tumorgenese

Konditionale Modellsysteme zur Untersuchung der ERBB2-induzierten Tumorgenese Die Rezeptor-Tyrosinkinase ERBB2 ist in einer Vielzahl epithelialer Tumore, wie Mamma- und Ovarialkarzinomen, überexprimiert. Diese erhöhte Expression korreliert mit aggressivem Tumorwachstum, verstärkter Metastasierung und schlechter Prognose für den Patienten. Zur genaueren Untersuchung molekularer Mechanismen, die zur Tumorentstehung infolge der ERBB2-Überexpression führen, wurden im Rahmen dieser Arbeit mit Hilfe des Tet-Systems induzierbare MCF-7 Zelllinien generiert. Diese exprimieren bei Gabe von Doxyzyklin ERBB2 bzw. die zum humanen ERBB2 homologe und durch Punktmutation onkogen aktivierte Rattenvariante NeuT. Nachdem die stringente Regulierbarkeit durch Doxyzyklin für die untersuchten Zellklone gezeigt werden konnte, stellte sich bei der Charakterisierung der Zelllinien heraus, dass die Induktion von ERBB2 erstaunlicherweise nicht zur Proliferation der Zellen, sondern zum Wachstumsarrest führt. Bei der Untersuchung verschiedener Zellzyklusregulatoren konnte dieser Zellzyklusarrest dem CDK-Inhibitor P21 zugeordnet werden, dessen Expression durch ERBB2 induziert wird. In P21-Antisense-Experimenten konnte nachgewiesen werden, dass P21 eine Schlüsselrolle beim ERBB2-induzierten Zellzyklusarrest spielt. Neben der Induktion von P21 und der daraus resultierenden Wachstumsinhibition zeigten die Zellen starke morphologische Veränderungen und waren positiv beim Nachweis der Seneszenz-assoziierten -Galaktosidase. Erstmals konnte gezeigt werden, dass die Induktion des Onkogens ERBB2 nicht zur Proliferation, sondern zur Aktivierung eines verfrühten Seneszenz-Programms führt, welches der Zelle Schutz gegen die Onkogeneinwirkung bietet. Bei der Untersuchung verschiedener Signaltransduktionskaskaden mit Inhibitormolekülen konnte die Aktivierung dieses Seneszenz-Programms der Stress-aktivierten Proteinkinase P38 zugeordnet werden. Zur Identifizierung von Genen, die für die ERBB2-induzierte Tumorgenese relevant sind, wurde die differenzielle Genexpression eines NeuT-Klons nach 8- bzw. 48-stündiger Induktion mit Doxyzyklin in einem cDNA-Array untersucht. Dabei zeigte sich eine besonders starke Induktion von Integrin 5 und Integrin 1, die zusammen den Fibronektinrezeptor bilden. Der funktionale Nachweis des Rezeptors in einem Adhäsionsassay demonstrierte ein stark erhöhtes Adhäsionsverhalten ERBB2-überexprimierender Zellen an Fibronektin. Bei der Untersuchung von Mamma-, Ovarial- und Endometriumkarzinomen konnte die Expression von ERBB2 mit der von Integrin 5 korreliert werden. Diese Ergebnisse machen Integrin 5 zu einem potenziellen neuen Tumormarker und Therapieziel in ERBB2-überexprimierenden Tumoren. Ein weiteres interessantes Gen, das sich im Array durch ERBB2 überexprimiert zeigte, war die Matrix-Metalloproteinase MMP-9. In einem Zymografieassay konnte die erhöhte Gelatinaseaktivität von MMP-9 in Dox-induzierten Zellen nachgewiesen werden. Der Einsatz verschiedener Signaltransduktionsinhibitoren ergab, dass auch die ERBB2-induzierte Expression von MMP-9 über die Aktivierung von P38 läuft. Bei der Suche nach weiteren MMPs, die für die ERBB2-induzierte Tumorgenese relevant sein könnten, wurde MMP-13 untersucht. Erstmals konnte gezeigt werden, dass diese Matrix-Metalloproteinase von ERBB2 induziert wird. Dieser interessante Befund wurde auch in einem anderen Zellmodell in NIH3T3 Mausfibroblasten verifiziert. Durch ihre Matrix-degradierenden Eigenschaften sind MMPs potente „Werkzeuge“ für Tumorzellen und stellen ein wichtiges Ziel zur Unterbindung der Invasion und Metastasierung dieser Zellen dar. Neben den Zellkulturarbeiten wurden im Rahmen dieser Dissertation transgene Responder-Mäuse generiert, die NeuT unter Kontrolle eines Tet-responsiven Promotors exprimieren. Von vier transgenen Gründerlinien zeigten zwei eine unerwünschte, basale NeuT-Expression, für die beiden anderen Linien konnte sowohl in MEF-Assays, als auch nach Kreuzung mit rtTA- bzw. tTA-Effektor-Mäusen eine Dox-abhängige Regulation des Transgens gezeigt werden. Die Tiere dieser Linien sollen in Zukunft mit Effektor-Mäusen gepaart werden, die den rtTA bzw. tTA spezifisch in für die ERBB2-Tumorgenese relevanten Geweben, wie Ovarial- oder Lungenepithelzellen, exprimieren. So können individuelle Tumormodelle für die verschiedenen epithelialen Tumore, bei denen die Überexpression von ERBB2 von Bedeutung ist, entwickelt und untersucht werden.

Genetic Manipulation, Gene Silencing and Biomarker Development in Multiple Experimental Models.

The thesis is set in three different parts, according to the relative experimental models. First, the domestic pig (Sus scrofa) is part of the study on reproductive biotechnologies: the transgenesis technique of Sperm Mediated Gene Transfer is widely studied starting from the quality of the semen, through the study of multiple uptakes of exogenous DNA and lastly used in the production of multi-transgenic blastocysts. Finally we managed to couple the transgenesis pipeline with sperm sorting and therefore produced transgenic embryos of predetermined sex. In the second part of the thesis the attention is on the fruit fly (Drosophila melanogaster) and on its derived cell line: the S2 cells. The in vitro and in vivo models are used to develop and validate an efficient way to knock down the myc gene. First an efficient in vitro protocol is described, than we demonstrate how the decrease in myc transcript remarkably affects the ribosome biogenesis through the study of Polysome gradients, rRNA content and qPCR. In vivo we identified two optimal drivers for the conditional silencing of myc, once the flies are fed with RU486: the first one is throughout the whole body (Tubulin), while the second is a head fat body driver (S32). With these results we present a very efficient model to study the role of myc in multiple aspects of translation. In the third and last part, the focus is on human derived lung fibroblasts (hLF-1), mouse tail fibroblasts and mouse tissues. We developed an efficient assay to quantify the total protein content of the nucleus on a single cell level via fluorescence. We coupled the protocol with classical immunofluorescence so to have at the same time general and particular information, demonstrating that during senescence nuclear proteins increase by 1.8 fold either in human cells, mouse cells and mouse tissues.

Design, synthesis and biological evaluation of substituted naphthalene diimides as anticancer agents

It has been proved that naphthalene diimide (NDI) derivatives display anticancer properties as intercalators and G-quadruplex-binding ligands, leading to DNA damage, senescence and down-regulation of oncogene expression. This thesis deals with the design and synthesis of disubstituted and tetrasubstituted NDI derivatives endowed with anticancer activity, interacting with DNA together with other targets implicated in cancer development. Disubstituted NDI compounds have been designed with the aim to provide potential multitarget directed ligands (MTDLs), in order to create molecules able to simultaneously interact with some of the different targets involved in this pathology. The most active compound, displayed antiproliferative activity in submicromolar range, especially against colon and prostate cancer cell lines, the ability to bind duplex and quadruplex DNA, to inhibit Taq polymerase and telomerase, to trigger caspase activation by a possible oxidative mechanism, to downregulate ERK 2 protein and to inhibit ERKs phosphorylation, without acting directly on microtubules and tubuline. Tetrasubstituted NDI compounds have been designed as G-quadruplex-binding ligands endowed with anticancer activity. In order to improve the cellular uptake of the lead compound, the N-methylpiperazine moiety have been replaced with different aromatic systems and methoxypropyl groups. The most interesting compound was 1d, which was able to interact with the G-quadruplexes both telomeric and in HSP90 promoter region, and it has been co-crystallized with the human telomeric G-quadruplex, to directly verify its ability to bind this kind of structure, and also to investigate its binding mode. All the morpholino substituted compounds show antiproliferative activity in submicromolar values mainly in pancreatic and lung cancer cell lines, and they show an improved biological profile in comparison with that of the lead compound. In conclusion, both these studies, may represent a promising starting point for the development of new interesting molecules useful for the treatment of cancer, underlining the versatility of the NDI scaffold.

Role of Notch signalling in human hepatocellular carcinoma

The Notch signalling is a cellular pathway that results conserved from Drosophila to Homo sapiens controlling a wide range of cellular processes in development and in differentiated organs. It induces cell proliferation or differentiation, increased survival or apoptosis, and it is involved in stemness maintainance. These functions are conserved, but exerted with a high tissue and cellular context specificity. Signalling activation determs nuclear translocation of the receptor’s cytoplasmic domain and activation of target genes transcription. As many developmental pathway, Notch deregulation is involved in cancer, leading to oncogenic or tumour suppressive role depending on the functions exerted in normal tissue. Notch1 and Notch3 resulted aberrantly expressed in human hepatocellular carcinoma (HCC) that is the more frequent tumour of the liver and the sixth most common tumour worldwide. This thesis has the aim to investigate the role of the signalling in HCC, with particular attention to dissect common and uncommon regulatory pathways between Notch1 and Notch3 and to define the role of the signalling in HCC. Nocth1 and Notch3 were analysed on their regulation on Hes1 target and involvement in cell cycle control. They showed to regulate CDKN1C/p57kip2 expression through Hes1 target. CDKN1C/p57kip2 induces not only cell cycle arrest, but also senescence in HCC cell lines. Moreover, the involvement of Notch1 in cancer progression and epithelial to mesenchymal transition was investigated. Notch1 showed to induce invasion of HCC, regulating EMT and E- Cadherin expression. Moreover, Notch3 showed specific regulation on p53 at post translational levels. In vitro and ex vivo analysis on HCC samples suggests a complex role of both receptors in regulate HCC, with an oncogenic role but also showing tumour suppressive effects, suggesting a complex and deep involvement of this signalling in HCC.

Development and applications of hollow fiber flow field-flow fractionation in the bioanalytical field. Studies of aggregation phenomena in complex protein samples

Recent advances in the fast growing area of therapeutic/diagnostic proteins and antibodies - novel and highly specific drugs - as well as the progress in the field of functional proteomics regarding the correlation between the aggregation of damaged proteins and (immuno) senescence or aging-related pathologies, underline the need for adequate analytical methods for the detection, separation, characterization and quantification of protein aggregates, regardless of the their origin or formation mechanism. Hollow fiber flow field-flow fractionation (HF5), the miniaturized version of FlowFFF and integral part of the Eclipse DUALTEC FFF separation system, was the focus of this research; this flow-based separation technique proved to be uniquely suited for the hydrodynamic size-based separation of proteins and protein aggregates in a very broad size and molecular weight (MW) range, often present at trace levels. HF5 has shown to be (a) highly selective in terms of protein diffusion coefficients, (b) versatile in terms of bio-compatible carrier solution choice, (c) able to preserve the biophysical properties/molecular conformation of the proteins/protein aggregates and (d) able to discriminate between different types of protein aggregates. Thanks to the miniaturization advantages and the online coupling with highly sensitive detection techniques (UV/Vis, intrinsic fluorescence and multi-angle light scattering), HF5 had very low detection/quantification limits for protein aggregates. Compared to size-exclusion chromatography (SEC), HF5 demonstrated superior selectivity and potential as orthogonal analytical method in the extended characterization assays, often required by therapeutic protein formulations. In addition, the developed HF5 methods have proven to be rapid, highly selective, sensitive and repeatable. HF5 was ideally suitable as first dimension of separation of aging-related protein aggregates from whole cell lysates (proteome pre-fractionation method) and, by HF5-(UV)-MALS online coupling, important biophysical information on the fractionated proteins and protein aggregates was gathered: size (rms radius and hydrodynamic radius), absolute MW and conformation.

In vivo konditionale Depletion von latentem murinen Cytomegalovirus

Die Lunge stellt einen Hauptort der CMV-Latenz dar. Die akute CMV-Infektion wird durch infiltrierende antivirale CD8 T-Zellen terminiert. Das virale Genom verbleibt jedoch im Lungengewebe in einem nicht replikativen Zustand, der Latenz, erhalten. Es konnte bereits gezeigt werden, dass während der Latenz die Major Immediate Early- (MIE) Gene ie1- und ie2 sporadisch transkribiert werden. Bisher konnte diese beginnende Reaktivierung latenter CMV-Genome nur in einer Momentaufnahme gezeigt werden (Kurz et al., 1999; Grzimek et al., 2001; Simon et al., 2005; zur Übersicht: Reddehase et al., 2008). Die sporadische Expression der MIE-Gene führt jedoch zur Präsentation eines antigenen IE1-Peptids und somit zur Stimulation antiviraler IE1-Peptid-spezifischer CD8 T-Zellen, die durch ihre Effektorfunktion die beginnende Reaktivierung wieder beenden. Dies führte uns zu der Hypothese, dass MIE-Genexpression über einen Zeitraum betrachtet (period prevalence) häufiger stattfindet als es in einer Momentaufnahme (point prevalence) beobachtet werden kann.rnrnUm die Häufigkeit der MIE-Genexpression in der Dynamik in einem definierten Zeitraum zu erfassen, sollte eine Methode entwickelt werden, welche es erstmals ermöglicht, selektiv und konditional transkriptionell aktive Zellen sowohl während der akuten Infektion als auch während der Latenz auszulöschen. Dazu wurde mit Hilfe der Zwei-Schritt BAC-Mutagenese ein rekombinantes death-tagged Virus hergestellt, welches das Gen für den Diphtherie Toxin Rezeptor (DTR) unter Kontrolle des ie2-Promotors (P2) enthält. Ist der P2 transkriptionell aktiv, wird der DTR an der Zelloberfläche präsentiert und die Zelle wird suszeptibel für den Liganden Diphtherie Toxin (DT). Durch Gabe von DT werden somit alle Zellen ausgelöscht, in denen virale Genome transkriptionell aktiv sind. Mit zunehmender Dauer der DT-Behandlung sollte also die Menge an latenten viralen Genomen abnehmen.rnrnIn Western Blot-Analysen konnte das DTR-Protein bereits 2h nach der Infektion nachgewiesen werden. Die Präsentation des DTR an der Zelloberfläche wurde indirekt durch dessen Funktionalität bewiesen. Das rekombinante Virus konnte in Fibroblasten in Gegenwart von DT nicht mehr replizieren. In akut infizierten Tieren konnte die virale DNA-Menge durch eine einmalige intravenöse (i.v.) DT-Gabe signifikant reduziert werden. Verstärkt wurde dieser Effekt durch eine repetitive i.v. DT-Gabe. Auch während der Latenz gelang es, die Zahl der latenten viralen Genome durch repetitive i.v. und anschließende intraperitoneale (i.p.) DT-Gabe zu reduzieren, wobei wir abhängig von der Dauer der DT-Gabe eine Reduktion um 60\% erreichen konnten. Korrespondierend zu der Reduktion der DNA-Menge sank auch die Reaktivierungshäufigkeit des rekombinanten Virus in Lungenexplantatkulturen. rnrnrnUm die Reaktivierungshäufigkeit während der Latenz berechnen zu können, wurde durch eine Grenzverdünnungsanalyse die Anzahl an latenten viralen Genomen pro Zelle bestimmt. Dabei ergab sich eine Kopienzahl von 9 (6 bis 13). Ausgehend von diesen Ergebnissen lässt sich berechnen, dass, bezogen auf die gesamte Lunge, in dem getesteten Zeitraum von 184h durch die DT-Behandlung 1.000 bis 2.500 Genome pro Stunde ausgelöscht wurden. Dies entspricht einer Auslöschung von 110 bis 280 MIE-Gen-exprimierenden Lungenzellen pro Stunde. Damit konnte in dieser Arbeit erstmals die Latenz-assoziierte Genexpression in ihrer Dynamik dargestellt werden.rn

Mechanistic study of the effects of 8-oxo-7,8-dihydroguanine (8-oxoG) on reporter gene expression in mammalian cells

DNA damage causes replication errors, leading to genetic instability or cell death. Besides that, many types of DNA base modifications have been shown to interfere with transcriptional elongation if they are located in the transcribed DNA strand of active genes, acting as roadblocks for RNA polymerases. It is widely assumed that transcription blockage by endogenous DNA damage is responsible for the early cell senescence in organs and accelerated ageing observed in individuals with compromised nucleotide excision repair.rnThe aims of this work were to design new experimental systems for testing transcription blocking potentials of DNA base modifications in an individual gene and to apply these test systems to the investigation of the effects of a frequent endogenously generated base modification, namely 8-oxo-7,8-hydroxyguanine (8-oxoG), on the gene transcription in cells. Several experimental strategies were employed for this purpose. First, I constructed an episomal vector encoding for a short-lived EGFP-ODC fusion protein and measured expression of the reporter gene in permanently transfected clonal cell lines exposed to DNA damaging agents. Second, the expression of plasmid-borne EGFP gene damaged with photosensitisers to obtain one or several oxidative purine modifications per plasmid molecule was determined in transiently transfected human and mouse host cells in an approach known as “host cell reactivation”. As a prerequisite for these experiments, a robust method of precise quantitative measurement of the EGFP gene expression in transiently transfected cells by flow cytometry was developed and validated. Third, I elaborated a very efficient procedure for insertion of synthetic oligonucleotides carrying 8-oxoG into plasmid DNA, avoiding any unwanted base damage and strand breaks. The consequences of 8-oxoG placed in defined positions in opposing DNA strands of the EGFP gene for transcription were measured by host cell reactivation in cells with functional 8-oxoguanine DNA glycosylase (OGG1) gene and in OGG1 null cells.rnThe results obtained in Ogg1-/- cells demonstrated that unrepaired 8-oxoG, even if situated in the transcribed DNA strand, does not have any negative effect on the reporter gene transcription. On the other hand, as few as one 8-oxoG was sufficient to cause a significant decrease of the gene expression in OGG1-proficient cell lines, i.e. in the presence of base excision repair. For two analysed positions of 8-oxoG in the plasmid DNA, the inhibition of gene transcription by the base modification correlated with the efficiency of its excision by purified OGG1 protein under cell-free conditions. Based on these findings, it has to be concluded that the observed decrease of transcription is mediated by excision of the base modification by OGG1 and probably caused by the repair-induced single-strand breaks. The mechanism of transcription inhibition by 8-oxoG is therefore clearly distinct from stalling of elongating RNA polymerase II complexes at the modified base.

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

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

Funktionelle Analyse der Plasmamembran-Ca 2+-ATPase 2 -PMCA2- in Modellen der Neurodegeneration

Calcium (Ca2+) ist ein ubiquitär vorkommendes Signalmolekül, das an der Regulation zahlreicher zellulärer Prozesse, von der Proliferation bis zum programmierten Zelltod, beteiligt ist. Daher müssen die intrazellulären Ca2+-Spiegel streng kontrolliert werden. Veränderungen der Ca2+-Homöostase während der altersassoziierten Neurodegeneration können dazu beitragen, dass Neuronen vulnerabler sind. So wurden erhöhte Ca2+-Konzentrationen in gealterten Neuronen, begleitet von einer erhöhten Vulnerabilität, beobachtet (Hajieva et al., 2009a). Weiterhin wird angenommen, dass der selektive Untergang von dopaminergen Neuronen bei der Parkinson Erkrankung auf eine erhöhte Ca2+-Last zurückzuführen sein könnte, da diese Neuronen einem ständigen Ca2+-Influx,rnaufgrund einer besonderen Isoform (CaV 1.3) spannungsgesteuerter Ca2+-Kanäle des L-Typs, ausgesetzt sind (Chan et al., 2007). Bislang wurden die molekularen Mechanismen, die einem Ca2+-Anstieg zu Grunde liegen und dessen Auswirkung jedoch nicht vollständig aufgeklärt und daher in der vorliegenden Arbeit untersucht. Um Veränderungen der Ca2+-Homöostase während der altersassoziiertenrnNeurodegeneration zu analysieren wurden primäre Mittelhirnzellen aus Rattenembryonen und SH-SY5Y-Neuroblastomazellen mit dem Neurotoxin 1-Methyl-4-Phenyl-Pyridin (MPP+), das bei der Etablierung von Modellen der Parkinson-Erkrankung breite Anwendung findet, behandelt. Veränderungen der intrazellulären Ca2+-Konzentration wurden mit einem auf dem grün fluoreszierenden Protein (GFP)-basierten Ca2+-Indikator,rn„Cameleon cpYC 3.6“ (Nagai et al., 2004), ermittelt. Dabei wurde in dieser Arbeit gezeigt, dass MPP+ die Abregulation der neuronenspezifischen ATP-abhängigen Ca2+-Pumpe der Plasmamembran (PMCA2) induziert, die mit der Ca2+-ATPase des endoplasmatischen Retikulums (SERCA) und dem Na+/Ca2+-Austauscher (NCX) das zelluläre Ca2+-Effluxsystem bildet, was zu einer erhöhten zytosolischen Ca2+-Konzentration führt. Die PMCA2-Abnahme wurde sowohl auf Transkriptionsebene als auch auf Proteinebene demonstriert, während keine signifikanten Veränderungen der SERCA- und NCX-Proteinmengen festgestellt wurden. Als Ursache der Reduktion der PMCA2-Expression wurde eine Abnahme des Transkriptionsfaktors Phospho-CREB ermittelt, dessen Phosphorylierungsstatus abhängig von der Proteinkinase A (PKA) war. Dieser Mechanismus wurde einerseits unter MPP+-Einfluss und andererseits vermittelt durch endogene molekulare Modulatoren gezeigt. Interessanterweise konnten die durch MPP+ induzierte PMCA2-Abregulation und der zytosolische Ca2+-Anstieg durch die Aktivierung der PKA verhindert werden. Parallel dazu wurde eine MPP+-abhängige verringerte mitochondriale Ca2+-Konzentration nachgewiesen, welche mit einer Abnahme des mitochondrialen Membranpotentials korrelierte. Darüber hinaus kam es als Folge der PMCA2-Abnahme zu einem verminderten neuronalen Überleben.rnVeränderungen der Ca2+-Homöostase wurden auch während der normalen Alterung inrnprimären Fibroblasten und bei Mäusen nachgewiesen. Dabei wurden verringerte PMCA und SERCA-Proteinmengen in gealterten Fibroblasten, einhergehend mit einem Anstieg der zytosolischen Ca2+-Konzentration demonstriert. Weiterhin wurden verringerte PMCA2-Proteinmengen im Mittelhirn von gealterten Mäusen (C57B/6) detektiert.rnDer zelluläre Ca2+-Efflux ist somit sowohl im Zuge der physiologischen Alterung als auch in einem altersbezogenen Krankheitsmodell beeinträchtigt, was das neuronale Überleben beeinflussen kann. In zukünftige Studien soll aufgeklärt werden, welche Auswirkungen einer PMCA2-Reduktion genau zu dem Verlust von Neuronen führen bzw. ob durch eine PMCA2-Überexpression neurodegenerative Prozesse verhindert werden können.

Regulation des Proteins Alpha-Synuclein während der zellulären Alterung

α-Synuclein wird durch Mutationen sowie der Ausbildung von Proteinaggregaten namens Lewy-Körperchen mit der Entstehung der altersassoziierten Parkinson-Krankheit in Verbindung gebracht. Sowohl familiäre als auch sporadische Fälle sind durch erhöhte α-Synuclein-Spiegel gekennzeichnet. In familiären Fällen wurden Multiplikationen des α-Synuclein-Gens als Ursache für die erhöhte Expression aufgedeckt. In sporadischen Fällen stellt die Alterung den entscheidenden Risikofaktor für die Entstehung der Krankheit dar. Daher wurde in der vorliegenden Arbeit die Regulation von α-Synuclein während der zellulären Alterung in humanen Fibroblasten untersucht. In seneszenten Zellen konnte ein Anstieg der α-Synuclein-Expression nachgewiesen werden, der jedoch die Löslichkeit des Proteins nicht veränderte. Damit scheint die zelluläre Alterung per se nicht für die Aggregation des Proteins, wie sie in Form von Lewy-Körperchen bei z. B. Patienten der Parkinson-Krankheit beobachtet wird, verantwortlich zu sein. Möglicherweise ist die Hochregulation von α-Synuclein eine Folge der Akkumulation von DNA-Schäden in den seneszenten Zellen. Diese Korrelation konnte in jungen Zellen nach dem Einsatz verschiedener DNA-schädigender Agenzien bestätigt werden. Die Untersuchung des Regulationsmechanismus ergab, dass die erhöhte Expression von α-Synuclein in Folge von DNA-Schäden über den ERK1/2-MAPK-Signalweg vermittelt wird. In seneszenten Zellen konnte ebenfalls ein Einfluss dieses Signalweges auf die Expression von α-Synuclein beobachtet werden, allerdings scheint dieser nicht alleinig für die Hochregulation verantwortlich zu sein. Des Weiteren ergab die Betrachtung des γH2A.X-Spiegels nach Induktion von DNA-Schäden, dass α-Synuclein möglicherweise eine protektive Funktion besitzt, da dessen Überexpression zu einer verringerten und die Herunterregulation zu einer vermehrten DNA-Schädigung führte. Die Analyse der subzellulären Lokalisation von α-Synuclein ergab außerdem, dass es in jungen Zellen nach der Induktion von DNA-Schäden zu einer Translokation des Proteins in den Zellkern kommt. Diese Translokation war in seneszenten Zellen verringert. Dies lässt vermuten, dass α-Synuclein in jungen Zellen nach DNA-Schädigung durch den ERK1/2-MAPK-Signalweg hochreguliert wird und durch die Translokation in den Zellkern möglicherweise die Transkription von protektiven Genen beeinflusst oder an DNA-Reparatur-Prozessen beteiligt ist. In seneszenten Zellen ist das Protein zwar deutlich stärker exprimiert, der Transport in den Zellkern jedoch verringert, wodurch die protektive Wirkung im Zellkern herabgesetzt wäre.

Molekulare Ursachen und therapeutische Intervention bei der Alzheimer-Demenz

Ein charakteristisches, neuropathologisches Merkmal der Alzheimer-Demenz (AD), der am häufigsten vorkommenden Demenz-Form des Menschen, ist das Auftreten von senilen Plaques im Gehirn der Patienten. Hierbei stellt das neurotoxische A-beta Peptid den Hauptbestandteil dieser Ablagerungen dar. Einen Beitrag zu der pathologisch erhöhten A-beta Generierung liefert das verschobene Expressionsgleichgewicht der um APP-konkurrierenden Proteasen BACE-1 und ADAM10 zu Gunsten der beta-Sekretase BACE-1. In der vorliegenden Dissertation sollten molekulare Mechanismen identifiziert werden, die zu einem pathologisch veränderten Gleichgewicht der APP-Spaltung und somit zum Entstehen und Fortschritt der AD beitragen. Des Weiteren sollten Substanzen identifiziert werden, die durch Beeinflussung der Genexpression einer der beiden Proteasen das physiologische Gleichgewicht der APP-Prozessierung wiederherstellen können und somit therapeutisch einsetzbar sind.rnAnhand eines „Screenings“ von 704 Transkriptionsfaktoren wurden 23 Faktoren erhalten die das Verhältnis ADAM10- pro BACE-1-Promotor Aktivität beeinflussten. Exemplarisch wurden zwei der molekularen Faktoren auf ihren Wirkmechanismus untersucht: Der TF „X box binding protein-1“ (XBP-1), der die so genannte „unfolded protein response“ (UPR) reguliert, erhöhte die Expression von ADAM10 in Zellkultur-Experimenten. Die Menge dieses Faktors war in AD-Patienten im Vergleich zu gesunden, Alters-korrelierten Kontrollen signifikant erniedrigt. Im Gegensatz dazu verminderte der Seneszenz-assoziierte TF „T box 2“ (Tbx2) die Menge an ADAM10 in SH-SY5Y Zellen. Die Expression des Faktors selbst war in post-mortem Kortexgewebe von AD-Patienten erhöht. Zusätzlich zu den TFs konnten in einer Kooperation mit dem Helmholtz Zentrum München drei microRNAs (miRNA 103, 107, 1306) bioinformatisch prädiziert und experimentell validiert werden, die die Expression des humanen ADAM10 reduzierten.rnIm Rahmen dieser Arbeit konnten damit körpereigene Faktoren identifiziert werden, die die Menge an ADAM10 regulieren und folglich potenziell an der Entstehung der gestörten Homöostase der APP-Prozessierung beteiligt sind. Somit ist die AD auch im Hinblick auf eine A-beta-vermittelte Pathologie als multifaktorielle Krankheit zu verstehen, in der verschiedene Regulatoren zur gestörten APP-Prozessierung und somit zur pathologisch gesteigerten A-beta Generierung beitragen können. rnEine pharmakologische Erhöhung der ADAM10 Genexpression würde zu der Freisetzung von neuroprotektivem APPs-alpha und gleichzeitig zu einer reduzierten A-beta Generierung führen. Deshalb war ein weiteres Ziel dieser Arbeit die Evaluierung von Substanzen mit therapeutischem Potenzial im Hinblick auf eine erhöhte ADAM10 Expression. Von 640 FDA-zugelassenen Medikamenten einer Substanz-Bibliothek wurden 23 Substanzen identifiziert, die die Menge an ADAM10 signifikant steigerten während die Expression von BACE-1 und APP unbeeinflusst blieb. In Zusammenarbeit mit dem Institut für Pathologie (Johannes Gutenberg Universität Mainz) wurde ein Zellkultur-basiertes Modell etabliert, um die Permeationsfähigkeit der potenziellen Kandidaten-Substanzen über die Blut-Hirn Schranke (BHS) zu untersuchen. Von den 23 Medikamenten konnten neun im Rahmen des etablierten Modells als BHS-gängig charakterisiert werden. Somit erfüllen diese verbleibenden Medikamente die grundlegenden Anforderungen an ein AD-Therapeutikum. rnADAM10 spaltet neben APP eine Vielzahl anderer Substrate mit unterschiedlichen Funktionen in der Zelle. Zum Beispiel reguliert das Zelladhäsionsmolekül Neuroligin-1 (NL-1), das von ADAM10 prozessiert wird, die synaptische Funktion exzitatorischer Neurone. Aus diesem Grund ist die Abschätzung potenzieller, Therapie-bedingter Nebenwirkungen sehr wichtig. Im Rahmen eines Forschungsaufenthalts an der Universität von Tokio konnte in primären, kortikalen Neuronen der Ratte bei einer Retinoid-induzierten Erhöhung von ADAM10 neben einer vermehrten alpha-sekretorischen APP-Prozessierung auch eine gesteigerte Spaltung von NL-1 beobachtet werden. Dies lässt vermuten, dass bei einer Behandlung mit dem Retinoid Acitretin neben einer vermehrten APP-Spaltung durch ADAM10 auch die Regulation glutamaterger Neurone durch die Spaltung von NL-1 betroffen ist. Anhand eines geeigneten Alzheimer-Tiermodells sollten diese Befunde weiter analysiert werden, um so auf einen sicheren therapeutischen Ansatz bezüglich einer vermehrten ADAM10 Genexpression schließen zu können.rn