DNA-Interactive Properties of Crotamine, a Cell-Penetrating Polypeptide and a Potential Drug Carrier

Crotamine, a 42-residue polypeptide derived from the venom of the South American rattlesnake Crotalus durissus terrificus, has been shown to be a cell-penetrating protein that targets chromosomes, carries plasmid DNA into cells, and shows specificity for actively proliferating cells. Given this potential role as a nucleic acid-delivery vector, we have studied in detail the binding of crotamine to single- and double-stranded DNAs of different lengths and base compositions over a range of ionic conditions. Agarose gel electrophoresis and ultraviolet spectrophotometry analysis indicate that complexes of crotamine with long-chain DNAs readily aggregate and precipitate at low ionic strength. This aggregation, which may be important for cellular uptake of DNA, becomes less likely with shorter chain length. 25-mer oligonucleotides do not show any evidence of such aggregation, permitting the determination of affinities and size via fluorescence quenching experiments. The polypeptide binds non-cooperatively to DNA, covering about 5 nucleotide residues when it binds to single (ss) or (ds) double stranded molecules. The affinities of the protein for ss-vs. ds-DNA are comparable, and inversely proportional to salt levels. Analysis of the dependence of affinity on [NaCl] indicates that there are a maximum of,3 ionic interactions between the protein and DNA, with some of the binding affinity attributable to non-ionic interactions. Inspection of the three-dimensional structure of the protein suggests that residues 31 to 35, Arg-Trp-Arg-Trp-Lys, could serve as a potential DNA-binding site. A hexapeptide containing this sequence displayed a lower DNA binding affinity and salt dependence as compared to the full-length protein, likely indicative of a more suitable 3D structure and the presence of accessory binding sites in the native crotamine. Taken together, the data presented here describing crotamine-DNA interactions may lend support to the design of more effective nucleic acid drug delivery vehicles which take advantage of crotamine as a carrier with specificity for actively proliferating cells. Citation: Chen P-C, Hayashi MAF, Oliveira EB, Karpel RL (2012) DNA-Interactive Properties of Crotamine, a Cell-Penetrating Polypeptide and a Potential Drug Carrier. PLoS ONE 7(11): e48913. doi:10.1371/journal.pone.0048913

INVESTIGAÇÃO ELETROQUÍMICA E CALORIMÉTRICA DA INTERAÇÃO DE NOVOS AGENTES ANTITUMORAIS BISCATIÔNICOS COM DNA

ELECTROCHEMICAL AND CALORIMETRIC INVESTIGATION OF INTERACTION OF NOVEL BISCATIONIC ANTICANCER AGENTS WITH DNA. Biscationic amidines bind in the DNA minor groove and present biological activity against a range of infectious diseases. Two new biscationic compounds (bis-alpha,omega-S-thioureido, amino and sulfide analogues) were synthesized in good yields and fully characterized, and their interaction with DNA was also investigated. Isothermal titration calorimetry (ITC) was used to measure the thermodynamic properties of binding interactions between DNA and these ligands. A double stranded calf thymus DNA immobilized on an electrode surface was used to study the possible DNA-interacting abilities of these compounds towards dsDNA in situ. A remarkable interaction of these compounds with DNA was demonstrated and their potential application as anticancer agents was furthered.

Base-Paired and Base-Stacked Structures of the Anti-HIV Drug Lamivudine: A Nucleoside DNA-Mimicry with Unprecedented Topology

We have prepared a DNA-mimicry of nucleosides in which the anti-HIV drug lamivudine (beta-L-2',3'-dideoxy-3'-thiacytidine, 3TC) self-assembles into a base-paired and helically base-stacked hexagonal structure. Face-to-face and face-to-tail stacked 3TC=3TC dimers base-paired through two hydrogen bonds between neutral cytosines by either N-H center dot center dot center dot O or N-H center dot center dot center dot N atoms give rise to a right-handed DNA-mimicry of lamivudine with an unusual highly symmetric hexagonal lattice and topology. In addition, a base-paired and base-stacked supramolecular architecture of lamivudine hemihydrochloride hemihydrate was also obtained as a result of our crystal screenings. This structure is formed through partially face-to-face stacked lamivudine pairs held together by protonated and neutral fragments. However, no helical stacking occurs in this structure in which lamivudine also adopts unusual conformations as the C1'-endo and C1'-exo sugar puckers and cytosine orientations intermediate between the anti and syn conformations. As a conclusion drawn from the nucleoside duplex, the hexagonal DNA-mimicry of lamivudine reveals that such double-stranded helices can be assembled without counterions and organic solvents but with higher crystallographic symmetry instead, because only water crystallizes together with lamivudine in this structure.

DNA damage defines sites of recurrent chromosomal translocations in B lymphocytes

Recurrent chromosomal translocations underlie both haematopoietic and solid tumours. Their origin has been ascribed to selection of random rearrangements, targeted DNA damage, or frequent nuclear interactions between translocation partners; however, the relative contribution of each of these elements has not been measured directly or on a large scale. Here we examine the role of nuclear architecture and frequency of DNA damage in the genesis of chromosomal translocations by measuring these parameters simultaneously in cultured mouse B lymphocytes. In the absence of recurrent DNA damage, translocations between Igh or Myc and all other genes are directly related to their contact frequency. Conversely, translocations associated with recurrent site-directed DNA damage are proportional to the rate of DNA break formation, as measured by replication protein A accumulation at the site of damage. Thus, non-targeted rearrangements reflect nuclear organization whereas DNA break formation governs the location and frequency of recurrent translocations, including those driving B-cell malignancies.

Counter-ion effect on surfactant-DNA gel particles as controlled DNA delivery systems

The ability to entrap drugs within vehicles and subsequently release them has led to new treatments for a number of diseases. Based on an associative phase separation and interfacial diffusion approach, we developed a way to prepare DNA gel particles without adding any kind of cross-linker or organic solvent. Among the various agents studied, cationic surfactants offered particularly efficient control for encapsulation and DNA release from these DNA gel particles. The driving force for this strong association is the electrostatic interaction between the two components, as induced by the entropic increase due to the release of the respective counter-ions. However, little is known about the influence of the respective counter-ions on this surfactant-DNA interaction. Here we examined the effect of different counter-ions on the formation and properties of the DNA gel particles by mixing DNA (either single-(ssDNA) or double-stranded (dsDNA)) with the single chain surfactant dodecyltrimethylammonium (DTA). In particular, we used as counter-ions of this surfactant the hydrogen sulfate and trifluoromethane sulfonate anions and the two halides, chloride and bromide. Effects on the morphology of the particles obtained, the encapsulation of DNA and its release, as well as the haemocompatibility of these particles are presented, using counter-ion structure and DNA conformation as controlling parameters. Analysis of the data indicates that the degree of counter-ion dissociation from the surfactant micelles and the polar/hydrophobic character of the counter-ion are important parameters in the final properties of the particles. The stronger interaction with amphiphiles for ssDNA than for dsDNA suggests the important role of hydrophobic interactions in DNA.

Investigação eletroquímica e calorimétrica da interação de novos agentes antitumorais biscatiônicos com DNA

Biscationic amidines bind in the DNA minor groove and present biological activity against a range of infectious diseases. Two new biscationic compounds (bis-α,ω-S-thioureido, amino and sulfide analogues) were synthesized in good yields and fully characterized, and their interaction with DNA was also investigated. Isothermal titration calorimetry (ITC) was used to measure the thermodynamic properties of binding interactions between DNA and these ligands. A double stranded calf thymus DNA immobilized on an electrode surface was used to study the possible DNA-interacting abilities of these compounds towards dsDNA in situ. A remarkable interaction of these compounds with DNA was demonstrated and their potential application as anticancer agents was furthered.

Experimental Investigation of Three-Dimensional Single and Double optical Lattices

A complete laser cooling setup was built, with focus on threedimensional near-resonant optical lattices for cesium. These consist of regularly ordered micropotentials, created by the interference of four laser beams. One key feature of optical lattices is an inherent ”Sisyphus cooling” process. It efficiently extracts kinetic energy from the atoms, leading to equilibrium temperatures of a few µK. The corresponding kinetic energy is lower than the depth of the potential wells, so that atoms can be trapped. We performed detailed studies of the cooling processes in optical lattices by using the time-of-flight and absorption-imaging techniques. We investigated the dependence of the equilibrium temperature on the optical lattice parameters, such as detuning, optical potential and lattice geometry. The presence of neighbouring transitions in the cesium hyperfine level structure was used to break symmetries in order to identify, which role “red” and “blue” transitions play in the cooling. We also examined the limits for the cooling process in optical lattices, and the possible difference in steady-state velocity distributions for different directions. Moreover, in collaboration with ´Ecole Normale Sup´erieure in Paris, numerical simulations were performed in order to get more insight in the cooling dynamics of optical lattices. Optical lattices can keep atoms almost perfectly isolated from the environment and have therefore been suggested as a platform for a host of possible experiments aimed at coherent quantum manipulations, such as spin-squeezing and the implementation of quantum logic-gates. We developed a novel way to trap two different cesium ground states in two distinct, interpenetrating optical lattices, and to change the distance between sites of one lattice relative to sites of the other lattice. This is a first step towards the implementation of quantum simulation schemes in optical lattices.

Skeletal muscle mitochondrial DNA content in exercising humans

[EN] Several weeks of intense endurance training enhances mitochondrial biogenesis in humans. Whether a single bout of exercise alters skeletal muscle mitochondrial DNA (mtDNA) content remains unexplored. Double-stranded mtDNA, estimated by slot-blot hybridization and real time PCR and expressed as mtDNA-to-nuclear DNA ratio (mtDNA/nDNA) was obtained from the vastus lateralis muscle of healthy human subjects to investigate whether skeletal muscle mtDNA changes during fatiguing and nonfatiguing prolonged moderate intensity [2.0-2.5 h; approximately 60% maximal oxygen consumption (Vo(2 max))] and short repeated high-intensity exercise (5-8 min; approximately 110% Vo(2 max)). In control resting and light exercise (2 h; approximately 25% Vo(2 max)) studies, mtDNA/nDNA did not change. Conversely, mtDNA/nDNA declined after prolonged fatiguing exercise (0.863 +/- 0.061 vs. 1.101 +/- 0.067 at baseline; n = 14; P = 0.005), remained lower after 24 h of recovery, and was restored after 1 wk. After nonfatiguing prolonged exercise, mtDNA/nDNA tended to decline (n = 10; P = 0.083) but was reduced after three repeated high-intensity exercise bouts (0.900 +/- 0.049 vs. 1.067 +/- 0.071 at baseline; n = 7; P = 0.013). Our findings indicate that prolonged and short repeated intense exercise can lead to significant reductions in human skeletal muscle mtDNA content, which might function as a signal stimulating mitochondrial biogenesis with exercise training.

Essays on the political economy of European integration

Recently, a rising interest in political and economic integration/disintegration issues has been developed in the political economy field. This growing strand of literature partly draws on traditional issues of fiscal federalism and optimum public good provision and focuses on a trade-off between the benefits of centralization, arising from economies of scale or externalities, and the costs of harmonizing policies as a consequence of the increased heterogeneity of individual preferences in an international union or in a country composed of at least two regions. This thesis stems from this strand of literature and aims to shed some light on two highly relevant aspects of the political economy of European integration. The first concerns the role of public opinion in the integration process; more precisely, how economic benefits and costs of integration shape citizens' support for European Union (EU) membership. The second is the allocation of policy competences among different levels of government: European, national and regional. Chapter 1 introduces the topics developed in this thesis by reviewing the main recent theoretical developments in the political economy analysis of integration processes. It is structured as follows. First, it briefly surveys a few relevant articles on economic theories of integration and disintegration processes (Alesina and Spolaore 1997, Bolton and Roland 1997, Alesina et al. 2000, Casella and Feinstein 2002) and discusses their relevance for the study of the impact of economic benefits and costs on public opinion attitude towards the EU. Subsequently, it explores the links existing between such political economy literature and theories of fiscal federalism, especially with regard to normative considerations concerning the optimal allocation of competences in a union. Chapter 2 firstly proposes a model of citizens’ support for membership of international unions, with explicit reference to the EU; subsequently it tests the model on a panel of EU countries. What are the factors that influence public opinion support for the European Union (EU)? In international relations theory, the idea that citizens' support for the EU depends on material benefits deriving from integration, i.e. whether European integration makes individuals economically better off (utilitarian support), has been common since the 1970s, but has never been the subject of a formal treatment (Hix 2005). A small number of studies in the 1990s have investigated econometrically the link between national economic performance and mass support for European integration (Eichenberg and Dalton 1993; Anderson and Kalthenthaler 1996), but only making informal assumptions. The main aim of Chapter 2 is thus to propose and test our model with a view to providing a more complete and theoretically grounded picture of public support for the EU. Following theories of utilitarian support, we assume that citizens are in favour of membership if they receive economic benefits from it. To develop this idea, we propose a simple political economic model drawing on the recent economic literature on integration and disintegration processes. The basic element is the existence of a trade-off between the benefits of centralisation and the costs of harmonising policies in presence of heterogeneous preferences among countries. The approach we follow is that of the recent literature on the political economy of international unions and the unification or break-up of nations (Bolton and Roland 1997, Alesina and Wacziarg 1999, Alesina et al. 2001, 2005a, to mention only the relevant). The general perspective is that unification provides returns to scale in the provision of public goods, but reduces each member state’s ability to determine its most favoured bundle of public goods. In the simple model presented in Chapter 2, support for membership of the union is increasing in the union’s average income and in the loss of efficiency stemming from being outside the union, and decreasing in a country’s average income, while increasing heterogeneity of preferences among countries points to a reduced scope of the union. Afterwards we empirically test the model with data on the EU; more precisely, we perform an econometric analysis employing a panel of member countries over time. The second part of Chapter 2 thus tries to answer the following question: does public opinion support for the EU really depend on economic factors? The findings are broadly consistent with our theoretical expectations: the conditions of the national economy, differences in income among member states and heterogeneity of preferences shape citizens’ attitude towards their country’s membership of the EU. Consequently, this analysis offers some interesting policy implications for the present debate about ratification of the European Constitution and, more generally, about how the EU could act in order to gain more support from the European public. Citizens in many member states are called to express their opinion in national referenda, which may well end up in rejection of the Constitution, as recently happened in France and the Netherlands, triggering a European-wide political crisis. These events show that nowadays understanding public attitude towards the EU is not only of academic interest, but has a strong relevance for policy-making too. Chapter 3 empirically investigates the link between European integration and regional autonomy in Italy. Over the last few decades, the double tendency towards supranationalism and regional autonomy, which has characterised some European States, has taken a very interesting form in this country, because Italy, besides being one of the founding members of the EU, also implemented a process of decentralisation during the 1970s, further strengthened by a constitutional reform in 2001. Moreover, the issue of the allocation of competences among the EU, the Member States and the regions is now especially topical. The process leading to the drafting of European Constitution (even if then it has not come into force) has attracted much attention from a constitutional political economy perspective both on a normative and positive point of view (Breuss and Eller 2004, Mueller 2005). The Italian parliament has recently passed a new thorough constitutional reform, still to be approved by citizens in a referendum, which includes, among other things, the so called “devolution”, i.e. granting the regions exclusive competence in public health care, education and local police. Following and extending the methodology proposed in a recent influential article by Alesina et al. (2005b), which only concentrated on the EU activity (treaties, legislation, and European Court of Justice’s rulings), we develop a set of quantitative indicators measuring the intensity of the legislative activity of the Italian State, the EU and the Italian regions from 1973 to 2005 in a large number of policy categories. By doing so, we seek to answer the following broad questions. Are European and regional legislations substitutes for state laws? To what extent are the competences attributed by the European treaties or the Italian Constitution actually exerted in the various policy areas? Is their exertion consistent with the normative recommendations from the economic literature about their optimum allocation among different levels of government? The main results show that, first, there seems to be a certain substitutability between EU and national legislations (even if not a very strong one), but not between regional and national ones. Second, the EU concentrates its legislative activity mainly in international trade and agriculture, whilst social policy is where the regions and the State (which is also the main actor in foreign policy) are more active. Third, at least two levels of government (in some cases all of them) are significantly involved in the legislative activity in many sectors, even where the rationale for that is, at best, very questionable, indicating that they actually share a larger number of policy tasks than that suggested by the economic theory. It appears therefore that an excessive number of competences are actually shared among different levels of government. From an economic perspective, it may well be recommended that some competences be shared, but only when the balance between scale or spillover effects and heterogeneity of preferences suggests so. When, on the contrary, too many levels of government are involved in a certain policy area, the distinction between their different responsibilities easily becomes unnecessarily blurred. This may not only leads to a slower and inefficient policy-making process, but also risks to make it too complicate to understand for citizens, who, on the contrary, should be able to know who is really responsible for a certain policy when they vote in national,local or European elections or in referenda on national or European constitutional issues.

Bedeutung endogener Faktoren für Steady-State-Level und Reparatur oxidativer DNA-Modifikationen in Säugerzellen

Die endogene Bildung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) - wie beispielsweise Hydroxyl-Radikale, Superoxid-Radikalanionen, Wasserstoffperoxid und Singulett-Sauerstoff - bei essentiellen Stoffwechselreaktionen in allen aeroben Lebewesen stellt eine potentielle Gefahr für die Integrität der DNA in jeder Zelle dar. ROS generieren in der DNA unter anderem oxidative DNA-Modifikationen (zum größten Teil wahrscheinlich 8-Hydroxyguanin (8-oxoG)), welche wiederum zu einem Teil zu Mutationen führen.In dieser Arbeit wurden Untersuchungen vorgenommen, in welchem Ausmaß zum einen die Steady-State-Level oxidativer DNA-Schäden in Säugerzellen zum anderen die Reparaturgeschwindig-keiten solcher DNA-Modifikationen durch verschiedene endogene Faktoren beeinflußt werden.Im Mittelpunkt der Arbeit stand dabei die Charakterisierung der 8-Hydroxyguaninglykosylase der Säugerzellen. Sie ist das Produkt des OGG1-Gens, das erst 1997 kloniert wurde. In transfizierten Zellinien konnte durch eine konstitutive Überexpression des menschlichen OGG1-Gens demonstriert werden, daß die Reparatur von induzierten oxidativen Basenmodifikationen bis zu dreifach beschleunigt wird und daß eine Korrelation zwischen dem Grad der Überexpression und der Reparaturrate besteht. Dagegen waren die Steady-State-Level der oxidativen DNA-Schäden durch die Überexpression unbeeinflußt. Sowohl bei den spontanen Mutationsraten als auch bei den durch oxidative Schädigungen induzierten Mutationsfrequenzen konnte keine Erniedrigung bedingt durch die hOGG1-Überexpression beobachtet werden.Weitere Untersuchungen zur Bedeutung von Ogg1-Protein konnten in Mäusezellen durchgeführt werden, in denen das OGG1-homologe Mäusegen, mOGG1, homozygot inaktiviert (mOGG1(-/-)) worden war. Hierbei konnte gezeigt werden, daß in den mOGG1-defizienten Zellen im Vergleich zu den entsprechenden Wildtyp-Zellen (mOGG1(+/+)) eine Reparatur induzierter oxidativer Basenmodifikationen erst nach 8 h einsetzt, während in den Kontrollzellen schon nach 3-4 h 50 % der Modifikationen repariert waren. Die Steady-State-Level oxidativer Modifikationen in mOGG1(-/-)-Zellen waren in immortalisierten, schnell proliferierenden Mäusefibroblasten nur um den Faktor 1.4, in primären Mäusehepatocyten jedoch um den Faktor 2.5 gegenüber den Wildtyp-Zellen erhöht.Inwieweit das menschliche Reparaturprotein Xrcc1 (X-ray repair cross complementing group 1) auch an der Prozessierung oxidativer DNA-Modifikationen beteiligt ist, und ob dabei möglicherweise eine Interaktion mit Ogg1 vorliegt, wurde in der XRCC1-defizienten CHO-Zellinie EM9 untersucht. Dabei wurde ermittelt, daß weder die Steady-State-Level noch die Reparaturkinetiken der oxidativen Basenmodifikationen durch die XRCC1-Defizienz beeinflußt werden. Aufgrund weiterer Ergebnisse kann jedoch nicht ausgeschlossen werden, daß das Xrcc1-Protein zumindest am Ligationsschritt während der Reparatur oxidativer DNA-Schäden beteiligt ist.In einem weiteren Schwerpunkt der Arbeit wurde untersucht, ob Unterschiede im Steady-State-Level in Abhängigkeit von Organ-, Gewebe- und Zelltyp auftreten. Dazu wurden Untersuchungen in Bronchialkarzinom-Zellinien verschiedener Subtypen durchgeführt. Des weiteren wurde zur Frage der Zelltyp-Abhängigkeit in der menschlichen Zellinie HL60 der Einfluß des Zelldifferenzierungsstadiums auf die Steady-State-Level untersucht.

Strategies for detecting DNA hybridisation using surface plasmon fluorescence spectroscopy

Die Anregung und Emission von Fluorophoren nahe planaren Metalloberflächen und schiefen Gittern wurde mittels Oberflächenplasmonen Fluoreszenz Spektroskopie (SPFS) untersucht. Die Fluorophore konnten durch das evaneszente Plasmonenfeld angeregt und die einzelnen Abregungskanäle identifiziert werden.Die Sensorarchitektur für den Nachweis der Hybridisierung bestand aus auf einer Streptavidin-Matrix immobilisierten unmarkierten Sondensträngen. Cy5 markierte Zielsequenzen wurden aus der Lösung hybridisiert und die Adsorptionskinetiken konnten oberflächensensitiv detektiert werden.Ein neues Detektionsschema für unmarkierte Zielstränge wurde mittels fluoreszenzmarkirten Sondensträngen realisiert. Die Hybridisierung führte zu der Bildung von steifen helikalen Bereichen in der Probe und separierte den Farbstoff von der Metalloberfläche. Reduzierte Fluorezenzlöschung zeigte daher das Hybridisierungsereignis an.Die Verwendung eines potentiellen Förster-Paares zur Detektion von DNA Hybridisierung wurde untersucht. Donor und Akzeptor wurden an Ziel- und Sondenstrang immobilisiert und das Hybridisierungsereignis konnte anhand der Auslöschung der Donor-Fluorezenz nachgewiesen werden.Schließlich wurde der Einsatz von einzelstrangbindenden Proteinen (SSB) zur Steigerung der Sensitivität bezüglich Basenfehlpaarungen betrachtet. Verdrängungsreaktionen zwischen Proteinen und markierten Zielsträngen wurden anhand von SPS und Fluorezenzkinetiken studiert.

Mechanismus der Apoptose, Gentoxizität und DNA-Reparatur in Herpesvirus-Thymidinkinase-exprimierenden Säugerzellen nach Behandlung mit Antiherpes-Virustatika vom Typ der Nukleosidanaloga

Um Cytotoxizität und Gentoxizität nukleosidischer Antiherpes-Virustatika zu untersuchen, wurden stabile CHO-Klone etabliert, die Thymidinkinase (TK) des Herpes simplex-Virus Typ 1 (HSV-TK) oder des Varicella zoster-Virus (VZV-TK) exprimieren. In HSV-TK-exprimierenden Zellen wurde das Purinanalogon Ganciclovir (GCV) effizient in die genomische DNA eingebaut, worauf in den nächsten Replikationsrunden DNA-Strangbrüche und Aberrationen entstehen und Apoptose ausgelöst wird. GCV-induzierte Apoptose wird hauptsächlich über den mitochondrialen Weg vermittelt, wobei das anti-apoptotische Protein Bcl-2 im Mittelpunkt steht. Nach GCV-Behandlung konnte eine Caspase-9-vermittelte post-translationale Spaltung von Bcl-2 nachgewiesen werden. Das 23 kDa-großes Bcl-2-Fragment wirkt im Gegensatz zum intakten Bcl-2-Protein pro-apoptotisch und verstärkt die Cytochrom C-Freisetzung und damit die Aktivierung der Caspase-9, die Bcl-2 spaltet, was zu einem positiven 'Amplifikationsloop' des mitochondrialen apoptotischen Weges führt. In weiteren Experimenten wurde gezeigt, daß in die DNA inkorporiertes GCV durch Basenexzisionsreparatur repariert wird, wobei die DNA-Polymerase ß eine entscheidende Rolle spielt. Diese Reparatur führte zu einer signifikanten Reduktion der Apoptose und Klastogenität und damit zur Resistenzsteigerung gegenüber GCV. In VZV-TK-exprimierenden Zellen wurde gezeigt, daß Brivudin (BVDU), gleichermaßen Apoptose und Nekrose induzierte. Für die BVDU-induzierte Cytotoxizität konnte die Hemmung der Thymidylatsynthetase als Ursache identifiziert werden. Im Gegensatz zur GCV-induzierten Apoptose war für die BVDU-induzierte Apoptose der Rezeptor (Fas/CD95/APO-1)-vermittelte Weg von vorrangiger Bedeutung.

Einfluss von Stickstoffmonoxid, Hydroxylradikalen und Peroxynitrit auf DNA-Schäden, DNA-Reparatur und Mutationen

Im Rahmen dieser Arbeit wurde untersucht über welche Mechanismen und unter welchen Bedingungen Stickstoffmonoxid (NO) und verwandte reaktive Spezies wie Peroxynitrit und Hydroxylradikale zur Krebsentstehung beitragen können. NO führte an zellfreier DNA kaum zu oxidativen DNA-Schäden. Peroxynitrit, generiert aus 3-Morpholinosydnonimin (SIN-1), induzierte neben Einzel-strangbrüchen und AP-Läsionen vor allem oxidierte Purinmodifikationen (50 % 8-Hydroxyguanin (8-oxoG)). Hydroxylradikale, freigesetzt aus 4-Hydroxypyridinthion, induzierten neben Einzelstrangbrüchen und AP-Läsionen oxidierte Pyrimidinmodifikationen in der DNA. Nach Transformation und Replikation der geschädigten DNA in E. coli DT-2 wurden überwiegend GC nach AT Transitionen (Hydroxylradikalschädigung), wahrscheinlich verursacht durch das in der DNA induzierte 5-Hydroxycytidin, bzw. GC nach TA Transversionen (Peroxynitrit), verursacht durch das induzierte 8-oxoG, detektiert. In Zellkulturexperimenten führte endogenes NO, freigesetzt von B6-INOS-Zellen (8µM) nicht zu einem Anstieg der Gleichgewichtsspiegel oxidativer DNA-Schäden, hatte keinen Einfluss auf deren Induzierbarkeit und Reparatur, die Zellpro-liferation und den Glutathionspiegel, schützte jedoch vor der Induktion von Einzelstrangbrüchen und Mikrokernen durch Wasserstoffperoxid. Exogenes NO, freigesetzt durch den Zerfall von Dipropylentriamin-NONOat, hemmte in Konzentrationen ab 0,5 mM spezifisch die Reparatur oxidativer DNA-Schäden, nicht jedoch die von Pyrimidindimeren, AP-Läsionen und Einzelstrangbrüchen,und führte in Konzentrationen > 1 mM zu einer Induktion von DNA-Schäden in den B6-Mausfibroblasten. Dabei ähnelte das induzierte Schadensprofil sehr dem von SIN-1.

Real time monitoring of DNA hybridization and replication using optical and acoustic biosensors

Während in den letzten Jahren zahlreiche Biosensoren zum spezifischen Nachweis von DNA entwickelt wurden, ist die Anwendung oberflächen-sensitiver Methoden auf enzymatische Reaktionen ein vergleichsweise neues Forschungsgebiet. Trotz der hohen Empfindlichkeit und der Möglichkeit zur Echtzeit-Beobachtung molekularer Prozesse, ist die Anwendung dieser Methoden nicht etabliert, da die Enzymaktivität durch die Nähe zur Oberfläche beeinträchtigt sein kann. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die enzymatische Verlängerung immobilisierter DNA durch eine DNA Polymerase mit Hilfe von Oberflächenplasmonen-Fluoreszenzspektroskopie (SPFS) und einer Quarzkristall-Mikrowaage (QCM) untersucht. Die Synthese von DNA wurde im Fall der QCM als Massenzuwachs detektiert, der sich im Abfall der Resonanzfrequenz des Schwingquarzes und einem Anstieg seiner Dissipationsenergie ausdrückte. Die viskoelastischen Eigenschaften der DNA-Schichten wurden bestimmt, indem die erhaltenen Daten mit einem auf Voigt basierenden Modell ausgewertet wurden. SPFS nutzt das evaneszente elektromagnetische Feld, das mit Oberflächenplasmonen einhergeht, zur oberflächen-sensitiven Anregung von Chromophoren. Auf diese Weise wurde der Einbau von Farbstoff-markierten Nukleotiden in die entstehende DNA-Sequenz als Indikator für das Voranschreiten der Reaktion ausgenutzt. Beide Meßtechniken konnten erfolgreich zum Nachweis der DNA-Synthese herangezogen werden, wobei die katalytische Aktivität des Enzyms vergleichbar zu der in Lösung gemessenen war.

Endogene DNA-Schädigung als Ursache genetischer Instabilität

Zusammenfassung Diese Arbeit beschreibt Untersuchungen über die zellulären Mechanismen, die zur Bildung dieser DNA-Schäden führen, sowie über die biologischen Auswirkungen dieser Schäden. Die Untersuchungen zu Uracil in der DNA wurden in ung-knockout-MEFs und Mäusen durchgeführt, die es erlauben, die Konsequenzen eines Ausfalls der wichtigsten Reparaturglykosylase für Uracil zu beleuchten. Die Ergebnisse zeigen eine deutliche Akkumulation von Uracil in den ung-/--Mausfibroblasten im Vergleich zum Wildtyp. In frisch isolierten Leber- und Milzzellen der Mäuse konnte dieser genotypspezifische Unterschied, wenn auch weniger ausgeprägt, ebenso beobachtet werden, nicht jedoch in reifen Spermien. Dieser gewebespezifische Unterschied und die quantitativ stärker ausgeprägte Akkumulation in ung-/--Mausfibroblasten im Vergleich zu den Mäusegeweben gab Anlass zur Vermutung, dass die Proliferation der Zellen für den Haupteintrag an Uracil in die DNA verantwortlich ist. Erstmals konnte in Versuche mit konfluenten (nicht mehr proliferierenden) ung-/--Mausfibroblasten gezeigt werden, dass nicht die spontane hydrolytische Desaminierung von Cytosin, sondern der Fehleinbau von dUMP während der DNA-Replikation die Hauptquelle für Uracil in der DNA von Säugerzellen darstellt. Da der Uracilmetabolismus ein wichtiges Target in der Chemotherapie ist, lag es nahe, das zur Verfügung stehende ung-knockout-Modell der MEFs zur Untersuchung mit Fluorpyrimidinen, die als Zytostatika verwendet werden, einzusetzen. Da bisher die Ursachen der beobachteten Apoptose der Tumorzellen und aller anderen metabolisch hochaktiven Zellen eines behandelten Organismus noch nicht vollständig verstanden ist, wurden diese Zellen mit verschiedenen Fluorpyrimidinen behandelt, die als Thymidylatsynthasehemmer die de novo Synthese von Thymidin unterbinden. Es konnte gezeigt werden, dass ung-/- Mausfibroblasten, im Gegensatz zu ung+/+ Mausfibroblasten, verstärkt Uracil in der DNA akkumulieren. Obwohl die ung+/+ Mausfibroblasten keine erhöhten Uracil-Spiegel in der DNA aufwiesen, zeigten sie bei Inkubation mit einem der beiden Thymidylatsynthasehemmern, 5-Fluoruracil (5-FU), die gleiche Sensitivität in einem nachfolgenden Proliferationsversuch wie die ung-/- Mausfibroblasten. Dies lässt darauf schließen, dass weder Reparatur noch Einbau von Uracil in die DNA für die beobachtete Toxizität dieser Zytostatika notwendig sind. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit war die Untersuchung des DNA-schädigenden Potenzials endogener ROS, die aus dem Fremdstoffmetabolismus stammen. Dazu wurden V79-Zellen verwendet, die mit dem humanen Enzym Cytochrom 2E1 (CYP2E1) transfiziert wurden (V79 CYP2E1) sowie Zellen, die ebenfalls durch Transfektion das humane Enzym Cytochromreduktase (auch Oxidoreduktase genannt) überexprimieren (V79 hOR). Beide Enzyme sind zusammen an der Hydroxylierung von Fremdstoffen beteiligt, bei der die Reduktion von molekularem Sauerstoff durch Übertragung von zwei Elektronen notwendig ist. Wird anstatt zweier Elektronen in Folge nur eines auf den Sauerstoff übertragen, so führt dieser von der Substratoxygenierung enkoppelte Vorgang zur Bildung von Superoxid. Daher galt es zu klären, ob das so erzeugte Superoxid und daraus gebildete ROS in der Lage sind, die DNA zu schädigen. Es konnte gezeigt werden, dass die Überexpression von CYP2E1 nicht zu einem erhöhten basalen Gleichgewichtsspiegel oxidativer DNA-Schäden führt und die Metabolisierung von Ethanol durch dieses Enzym ebenfalls keine DNA-Modifikationen verursacht. Die Überexpression der Cytochromreduktase hingegen führte gegenüber dem Wildtyp zu einem erhöhten basalen Gleichgewichtsspiegel oxidativer Basenmodifikationen nach Depletion von Glutathion, einem wichtigen zellulären Antioxidans. Im Mikrokerntest, der gentoxische Ereignisse wie Chromosomenbrüche in Zellen aufzeigt, zeigte sich schon ohne Glutathion-Depletion eine doppelt so hohe Mikrokernrate im Vergleich zum Wildtyp. In weiteren Versuchen wurden die V79-hOR-Zellen mit dem chinoiden Redoxcycler Durochinon inkubiert, um zu untersuchen, ob das vermutlich durch die Reduktase vermittelte Redoxcycling über Generierung von ROS in der Lage ist, einen oxidativen DNA-Schaden und Toxizität zu verursachen. Hier zeigte sich, dass die Überexpression der Reduktase Voraussetzung für Toxizität und den beobachteten DNA-Schaden ist. Die Wildtyp-Zellen zeigten weder einen DNA-Schaden noch Zytotoxizität, auch eine zusätzliche Glutathion-Depletion änderte nichts an dem Befund. Die V79-hOR-Zellen hingegen reagierten auf die Inkubation mit Durochinon mit einer konzentrationsabhängigen Zunahme der Einzelstrangbrüche und oxidativen Basenmodifikationen, wobei sich der DNA-Schaden durch vorherige Glutathion-Depletion verdoppeln ließ.