Molecular genetic analysis of DNA alterations in Irish colorectal cancer

Colorectal cancer is the most common cause of death due to malignancy in nonsmokers in the western world. In 1995 there were 1,757 cases of colon cancer in Ireland. Most colon cancer is sporadic, however ten percent of cases occur where there is a previous family history of the disease. In an attempt to understand the tumorigenic pathway in Irish colon cancer patients, a number of genes associated with colorectal cancer development were analysed in Irish sporadic and HNPCC colon cancer patients. The hereditary forms of colon cancer include Familial adenomatous polyposis coli (FAP) and Hereditary Non-Polyposis Colon Cancer (HNPCC). Genetic analysis of the gene responsible for FAP, (the APC gene) has been previously performed on Irish families, however the genetic analysis of HNPCC families is limited. In an attempt to determine the mutation spectrum in Irish HNPCC pedigrees, the hMSH2 and hMLHl mismatch repair genes were screened in 18 Irish HNPCC families. Using SSCP analysis followed by DNA sequencing, five mutations were identified, four novel and a previously reported mutation. In families where a mutation was detected, younger asyptomatic members were screened for the presence of the predisposing mutation (where possible). Detection of mutations is particularly important for the identification of at risk individuals as the early diagnosis of cancer can vastly improve the prognosis. The sensitive and efficient detection of multiple different mutations and polymorphisms in DNA is of prime importance for genetic diagnosis and the identification of disease genes. A novel mutation detection technique has recently been developed in our laboratory. In order to assess the efficacy and application of the methodology in the analysis of cancer associated genes, a protocol for the analysis of the K-ras gene was developed and optimised. Matched normal and tumour DNA from twenty sporadic colon cancer patients was analysed for K-ras mutations using the Glycosylase Mediated Polymorphism Detection technique. Five mutations of the K-ras gene were detected using this technology. Sequencing analysis verified the presence of the mutations and SSCP analysis of the same samples did not identify any additional mutations. The GMPD technology proved to be highly sensitive, accurate and efficient in the identification of K-ras gene mutations. In order to investigate the role of the replication error phenomenon in Irish colon cancer, 3 polyA tract repeat loci were analysed. The repeat loci included a 10 bp intragenic repeat of the TGF-β-RII gene. TGF-β-RII is involved in the TGF-β epithelial cell growth pathway and mutation of the gene is thought to play a role in cell proliferation and tumorigenesis. Due to the presence of a repeat sequence within the gene, TGFB-RII defects are associated with tumours that display the replication error phenomenon. Analysis of the TGF-β-RII 10 bp repeat failed to identify mutations in any colon cancer patients. Analysis of the Bat26 and Bat 40 polyA repeat sequences in the sporadic and HNPCC families revealed that instability is associated with HNPCC tumours harbouring mismatch repair defects and with 20 % of sporadic colon cancer tumours. No correlation between K-ras gene mutations and the RER+ phenotype was detected in sporadic colon cancer tumours.

Significance of DNA base excision repair in the maintenance of mitochondrial function in Saccharomyces cerevisiae /

Mitochondria have an important role in cell metabolism, being the major site of ATP production via oxidative phosphorylation (OXPHOS). Accumulation of mtDNA mutations have been linked to the development of respiratory dysfunction, apoptosis, and aging. Base excision repair (BER) is the major and the only certain repair pathway existing in mitochondria that is in responsible for removing and repairing various base modifications as well as abasic sites (AP sites). In this research, Saccharomyces cerevisiae (S. cerevisiae) BER gene knockout strains, including 3 single DNA glycosylase gene knockout strains and Ap endonuclease (Apn 1 p) knockout strain were used to examine the importance of this DNA repair pathway to the maintenance of respiratory function. Here, I show that individual DNA glycosylases are nonessential in maintenance of normal function in yeast mitochondria, corroborating with previous research in mammalian experimental models. The yeast strain lacking Apn 1 p activity exhibits respiratory deficits, including inefficient and significantly low intracellular ATP level, which maybe due to partial uncoupling of OXPHOS. Growth of this yeast strain on respiratory medium is inhibited, but no evidence was found for increased ROS level in Apn 1 p mitochondria. This strain also shows an increased cell size, and this observation combined with an uncoupled OXPHOS may indicate a premature aging in the Apnlp knockout strain, but more evidence is needed to support this hypothesis. However, the BER is necessary for maintenance of mitochondrial function in respiring S.cerevisiae.

Expression of 8-oxoguanine Glycosylase in Human Fetal Membranes

Problem The most common DNA lesion generated by oxidative stress (OS) is 7, 8-dihydro-8-oxoguanine (8-oxoG) whose excision repair is performed by 8-oxoguanine glycosylase (OGG1). We investigated OGG1 expression changes in fetal membranes from spontaneous preterm birth (PTB) and preterm premature rupture of the membranes (pPROM) and its changes in vitro in normal fetal membranes exposed to OS inducer water-soluble cigarette smoke extract (CSE). Method of study DNA damage was determined in amnion cells treated with CSE by comet and FLARE assays. OGG1 mRNA expression and localization in fetal membranes from clinical specimens and in normal term membranes exposed to CSE were examined by QRT-PCR and by immunohistochemistry. Results DNA strand and base damage was seen in amnion cells exposed to CSE. OGG1 expression was 2.5-fold higher in PTB samples compared with pPROM (P=0.045). No significant difference was seen between term and pPROM or PTB and term. CSE treatment showed a nonsignificant decrease in OGG1. OGG1 was localized to both amnion and chorion with less intense staining in pPROM and CSE-treated membranes. Conclusion Increased OS-induced DNA damage predominated by 8-oxoG is likely to persist in fetal cells due to reduced availability of base excision repair enzyme OGG1. This can likely lead to fetal cell senescence associated with some adverse pregnancy outcome.

Chemical and thermal influence of the [4Fe-4S](2+) cluster of A/G-specific adenine glycosylase from Corynebacterium pseudotuberculosis

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

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.

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.

Consequences of DNA damage for gene transcription : direct effects of modified nucleobases and the role of base excision repair = Folgen von DNA-Schäden für die Gentranskription

The presence of damaged nucleobases in DNA can negatively influence transcription of genes. One of the mechanisms by which DNA damage interferes with reading of genetic information is a direct blockage of the elongating RNA polymerase complexes – an effect well described for bulky adducts induced by several chemical substances and UV-irradiation. However, other mechanisms must exist as well because many of the endogenously occurring non-bulky DNA base modifications have transcription-inhibitory properties in cells, whilstrnnot constituting a roadblock for RNA polymerases under cell free conditions. The inhibition of transcription by non-blocking DNA damage was investigated in this work by employing the reporter gene-based assays. Comparison between various types of DNA damage (UV-induced pyrimidine photoproducts, oxidative purine modifications induced by photosensitisation, defined synthetic modified bases such as 8-oxoguanine and uracil, and sequence-specific single-strand breaks) showed that distinct mechanisms of inhibition of transcription can be engaged, and that DNA repair can influence transcription of the affectedrngenes in several different ways.rnQuantitative expression analyses of reporter genes damaged either by the exposure of cells to UV or delivered into cells by transient transfection supported the earlier evidence that transcription arrest at the damage sites is the major mechanism for the inhibition of transcription by this kind of DNA lesions and that recovery of transcription requires a functional nucleotide excision repair gene Csb (ERCC6) in mouse cells. In contrast, oxidisedrnpurines generated by photosensitisation do not cause transcriptional blockage by a direct mechanism, but rather lead to transcriptional repression of the damaged gene which is associated with altered histone acetylation in the promoter region. The whole chain of events leading to transcriptional silencing in response to DNA damage remains to be uncovered. Yet, the data presented here identify repair-induced single-strand breaks – which arise from excision of damaged bases by the DNA repair glycosylases or endonucleases – as arnputative initiatory factor in this process. Such an indirect mechanism was supported by requirement of the 8-oxoguanine DNA glycosylase (OGG1) for the inhibition of transcription by synthetic 8-oxodG incorporated into a reporter gene and by the delays observed for the inhibition of transcription caused by structurally unrelated base modifications (8-oxoguanine and uracil). It is thereby hypothesized that excision of the modified bases could be a generalrnmechanism for inhibition of transcription by DNA damage which is processed by the base excision repair (BER) pathway. Further gene expression analyses of plasmids containing single-strand breaks or abasic sites in the transcribed sequences revealed strong transcription inhibitory potentials of these lesions, in agreement with the presumption that BER intermediates are largely responsible for the observed effects. Experiments with synthetic base modifications positioned within the defined DNA sequences showed thatrninhibition of transcription did not require the localisation of the lesion in the transcribed DNA strand; therefore the damage sensing mechanism has to be different from the direct encounters of transcribing RNA polymerase complexes with DNA damage.rnAltogether, this work provides new evidence that processing of various DNA basernmodifications by BER can perturb transcription of damaged genes by triggering a gene silencing mechanism. As gene expression can be influenced even by a single DNA damage event, this mechanism could have relevance for the endogenous DNA damage induced in cells under normal physiological conditions, with a possible link to gene silencing in general.

Untersuchung der DNA-Reparatur in humanen Lymphozyten

Oxidative DNA-Schäden, wie 7,8-Dihydro-8-oxoguanin (8-oxoG), werden kontinuierlich in allen Zellen durch endogene und exogene Noxen gebildet. Ohne eine effektive Reparatur können DNA-Schäden nach erfolgter Replikation als Mutationen fixiert werden und somit die Kanzerogenese initiieren.rnUntersuchungsgegenstand dieser Arbeit war die Reparatur, vorrangig von oxidativen DNA-Schäden, in humanen Lymphozyten. Dabei sollte ebenfalls überprüft werden, inwiefern eine Aktivierung dieser Immunzellen, die u.a. zu einer Initiierung der Proliferation führt, modulierend auf die DNA-Reparatur wirkt. Für diese Untersuchungen wurden primäre Lymphozyten aus Buffy Coats isoliert. Eine Aktivierung von T Lymphozyten, welche physiologisch Antigen-vermittelt über den T-Zell-Rezeptor verläuft, wurde durch eine ex vivo Stimulation mit Phytohämagglutinin (PHA) nachgeahmt. Die Induktion oxidativer DNA-Basenmodifikationen erfolgte mit Hilfe des Photosensibilisators Acridinorange in Kombination mit sichtbarem Licht. Das Schadensausmaß sowie die Reparatur wurden mittels der Alkalischen Elution unter Nutzung der Reparaturendonuklease Fpg bestimmt.rnDie Ergebnisse zeigten, dass global keine Reparatur induzierter oxidativer DNA-Schäden in primären Lymphozyten stattfindet. Eine Aktivierung der Lymphozyten mittels PHA führte hingegen zu einer deutlichen Reduktion der induzierten DNA-Schäden innerhalb einer 24-stündigen Reparaturzeit. Diese verbesserte Reparatur konnte auf eine Steigerung der Transkription und somit eine erhöhte Proteinmenge von OGG1, welches die Reparatur von 8-oxoG DNA-Glykosylase initiiert, zurückgeführt werden. Weiterführende mechanistische Untersuchungen deuten darauf hin, dass der transkriptionellen Regulation von OGG1 eine Aktivierung der JNK-Signalkaskade zugrunde liegt. Als ein verantwortlicher Transkriptionsfaktor konnte NF-YA identifiziert werden. Dessen erhöhte Bindung am OGG1-Promotor in Folge einer PHA-Stimulation konnte durch eine JNK-Hemmung reduziert werden.rnDie Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass eine Aktivierung von Lymphozyten, welche die Proliferation initiiert und dadurch mit dem Risiko für die Entstehung von Mutationen und malignen Entartungen verknüpft ist, gleichzeitig eine transkriptionelle Hochregulation von OGG1 bewirkt, die die Reparatur oxidativer DNA-Schäden sicherstellt. Die Fähigkeit zur Steigerung der DNA-Reparatur unter den gezeigten Bedingungen bietet den proliferierenden Zellen einen Schutzmechanismus zur Erhaltung ihrer genomischen Stabilität.rn

Einfluss von Uracil in der DNA auf die Genexpression : die Rolle der Basen-Exzisions-Reparatur

Uracil ist eine der am häufigsten vorkommenden DNA-Basenmodifikationen, die über den Mechanismus der Basen-Exzisions-Reparatur (BER) aus dem Genom entfernt wird. Im Verlauf der Reparatur dieser Läsion durch monofunktionelle Uracil-DNA-Glykosylasen (UNG1/2, SMUG1, TDG und MBD4) entstehen AP-Läsionen und Einzelstrangbrüche. Da von beiden bekannt ist, eine Blockade der Transkription verursachen zu können, wurde in dieser Arbeit der Einfluss von Uracil und dessen Exzision auf die Expression eines Gens untersucht. Dafür wurde eine effiziente Methode entwickelt, die DNA-Basenmodifikation spezifisch in den transkribierten oder nicht-transkribierten DNA-Strang eines Reporter-Vektors einzufügen. rnIn Host cell reactivation Assays konnte gezeigt werden, dass Uracil unabhängig davon, ob es mit Adenin gepaart (U:A) oder mit Guanin (U:G) eine Fehlpaarung bildet, keine direkte Blockade der Transkriptions-Maschinerie in menschlichen Zellen auszulösen vermag. Dies kann daraus geschlossen werden, dass die Expression des Reportergens der Uracil-enthaltenen Vektoren im Vergleich zu unmodifizierten Referenz-Vektoren kurze Zeit nach der Transfektion unverändert ist. Die erst mit zunehmender Inkubationszeit in den Wirtszellen progressiv abnehmende Transkription ließ vermuten, dass die intrazelluläre Prozessierung der Läsion über die BER für die verringerte Genexpression verantwortlich ist. In der Tat bewirkte der Knockdown der BER-initiierenden UNG1/2, die Uracil aus der DNA herausschneidet und damit eine AP-Läsion generiert, eine Verringerung des negativen Effektes eines U:A-Basenpaares auf die Genexpression. Dass der Knockdown der SMUG1- oder TDG-Glykosylase hingegen keine Auswirkungen zeigte, beweist, dass UNG1/2 die Hauptglykosylase für die Exzision dieser Läsion und der Auslöser der inhibierten Transkription in HeLa-Zellen darstellt. Der Zusammenhang zwischen dem Maß des Ausschnitts einer DNA-Basenmodifikation im Verlauf der BER und einer verringerten Expression des Reportergens konnte zudem am Beispiel von 5-Hydroxymethyluracil und der für diese Läsion spezifischen SMUG1-Glykosylase nachgewiesen werden. Im Falle einer U:G-Fehlpaarung besaß weder UNG1/2 noch SMUG1 oder TDG einen Einfluss auf die Rate oder das Ausmaß der mit der Zeit abnehmenden Genexpression, was die Beteiligung einer anderen Glykosylase oder eines anderen Reparatur-Mechanismus vermuten lässt. rnDie Tatsache, dass die Stärke der Gen-Suppression unabhängig davon war, ob Uracil im transkribierten oder nicht-transkribierten DNA-Strang positioniert wurde, lässt die Mutmaßung zu, dass keine Blockade der elongierenden RNA-Polymerase, sondern vielmehr ein indirekter Mechanismus der Auslöser für die verringerte Transkription ist. Dieser Mechanismus muss unabhängig von der gut untersuchten transkriptionsgekoppelten Nukleotid-Exzisions-Reparatur erfolgen, da der Knockdown des hierfür benötigten CSB-Gens keine Auswirkungen auf die Inhibition der Genexpression der Uracil-enthaltenen Vektoren hatte. Insgesamt liefert diese Arbeit neue Erkenntnisse über den Beitrag der einzelnen Uracil-DNA-Glykosylasen zur Reparatur der DNA-Basenmodifikation Uracil in humanen Zellen und zeigt, dass die BER über einen indirekten Mechanismus die Hemmung der Genexpression verursacht.

Clinical relevance of polymorphic DNA copy number variation (CNV) in African American women with stage I-II breast cancer

Objectives. The chief goal of this study was to analyze copy number variation (CNV) in breast cancer tumors from 25 African American women with early stage breast cancer (BC) using molecular inversion probes (MIP) in order to: (1) compare the degree of CNV in tumors compared to normal lymph nodes, and (2) determine whether gains and/or losses of genes in specific chromosomes differ between pathologic subtypes of breast cancer defined by known prognostic markers, (3) determine whether gains/losses in CN are associated with known oncogenes or tumor suppressor genes, and (4) determine whether increased gains/losses in CN for specific chromosomes were associated with differences in breast cancer recurrence. ^ Methods. Twenty to 37 nanograms of DNA extracted from 25 formalin-fixed paraffin embedded (FFPE) tumor samples and matched normal lymph nodes were added to individual tubes. Oligonucleotide probes with recognition sequences at each terminus were hybridized with a genomic target sequence to form a circular structure. Probes are released from genomic DNA obtained from FFPE samples, and those which have been correctly "circularized" in the proper allele/nucleotide reaction combination are amplified using polymerase chain reaction (PCR) primers. Amplicons were fluorescently labeled and the tag sequences released from the genome homology regions by treatment with uracil-N-glycosylase to cleave the probe at the site where uracils are present, and detected using a complementary tag array developed by Affymetrix. ^ Results. Analysis of CN gains and losses from tumors and normal tissues showed marked differences in tumors with numerous chromosomes affected. Similar changes were not observed in normal lymph nodes. When tumors were stratified into four groups based on expression or lack of expression of the estrogen receptor and HER2/neu, distinct patterns of CNV for different chromosomes were observed. Gains or losses in CN for specific chromosomes correlated with amplifications/deletions of particular oncogenes or tumor suppressor genes (i.e. such as found on chromosome 17) known to be associated with aggressive tumor phenotype and poor prognosis. There was a trend for increases in CN observed for chromosome 17 to correlate inversely with time to recurrence of BC (p=0.14 for trend). CNV was also observed for chromosomes 5, 8, 10, 11, and 16, which are known sites for several breast cancer susceptibility alleles. ^ Conclusions. This study is the first to validate the MIP technique, to correlate differences in gene expression with known prognostic tumor markers, and to correlate significant increases/decreases in CN with known tumor markers associated with prognosis. The results of this study may have far reaching public health implications towards identifying new high-risk groups based on genomic differences in CNP, both with respect to prognosis and response to therapy, and to eventually identify new therapeutic targets for prevention and treatment of this disease. ^

Characterization of a glycosylase family gene specifically expressed during winter dormancy in woody plants

Winter dormancy is the strategy used by perennial plants to survive the harsh conditions of winter in temperate and cold regions. This complex mechanism is characterized by cessation of the meristems activity, which is accompanied by the budset, the acquisition of a high tolerance to the cold temperatures and, in the case of deciduous trees, by the senescence and leaf abscission. In long-lived forest species, the length of the dormancy period limits the growing season, affecting wood production and quality. A Suppression Subtractive Hybridization (SSH) enriched in genes overexpressed during the process of winter dormancy in chesnut stems identified a DNA glycosylase gene. In order to study its role in the establishment and maintenance of the winter dormancy, a molecular characterization and seasonal expression were performed. Furthermore, we have obtained poplar transgenic plantlets overexpressing the chesnut gene.

Identification of 5′-deoxyribose phosphate lyase activity in human DNA polymerase γ and its role in mitochondrial base excision repair in vitro

Mitochondria have been proposed to possess base excision repair processes to correct oxidative damage to the mitochondrial genome. As the only DNA polymerase (pol) present in mitochondria, pol γ is necessarily implicated in such processes. Therefore, we tested the ability of the catalytic subunit of human pol γ to participate in uracil-provoked base excision repair reconstituted in vitro with purified components. Subsequent to actions of uracil-DNA glycosylase and apurinic/apyrimidinic endonuclease, human pol γ was able to fill a single nucleotide gap in the presence of a 5′ terminal deoxyribose phosphate (dRP) flap. We report here that the catalytic subunit of human pol γ catalyzes release of the dRP residue from incised apurinic/apyrimidinic sites to produce a substrate for DNA ligase. The heat sensitivity of this activity suggests the dRP lyase function requires a three-dimensional protein structure. The dRP lyase activity does not require divalent metal ions, and the ability to trap covalent enzyme-DNA complexes with NaBH4 strongly implicates a Schiff base intermediate in a β-elimination reaction mechanism.

Accumulation of premutagenic DNA lesions in mice defective in removal of oxidative base damage

DNA damage generated by oxidant byproducts of cellular metabolism has been proposed as a key factor in cancer and aging. Oxygen free radicals cause predominantly base damage in DNA, and the most frequent mutagenic base lesion is 7,8-dihydro-8-oxoguanine (8-oxoG). This altered base can pair with A as well as C residues, leading to a greatly increased frequency of spontaneous G·C→T·A transversion mutations in repair-deficient bacterial and yeast cells. Eukaryotic cells use a specific DNA glycosylase, the product of the OGG1 gene, to excise 8-oxoG from DNA. To assess the role of the mammalian enzyme in repair of DNA damage and prevention of carcinogenesis, we have generated homozygous ogg1−/− null mice. These animals are viable but accumulate abnormal levels of 8-oxoG in their genomes. Despite this increase in potentially miscoding DNA lesions, OGG1-deficient mice exhibit only a moderately, but significantly, elevated spontaneous mutation rate in nonproliferative tissues, do not develop malignancies, and show no marked pathological changes. Extracts of ogg1 null mouse tissues cannot excise the damaged base, but there is significant slow removal in vivo from proliferating cells. These findings suggest that in the absence of the DNA glycosylase, and in apparent contrast to bacterial and yeast cells, an alternative repair pathway functions to minimize the effects of an increased load of 8-oxoG in the genome and maintain a low endogenous mutation frequency.

Uracil-DNA glycosylase–DNA substrate and product structures: Conformational strain promotes catalytic efficiency by coupled stereoelectronic effects

Enzymatic transformations of macromolecular substrates such as DNA repair enzyme/DNA transformations are commonly interpreted primarily by active-site functional-group chemistry that ignores their extensive interfaces. Yet human uracil–DNA glycosylase (UDG), an archetypical enzyme that initiates DNA base-excision repair, efficiently excises the damaged base uracil resulting from cytosine deamination even when active-site functional groups are deleted by mutagenesis. The 1.8-Å resolution substrate analogue and 2.0-Å resolution cleaved product cocrystal structures of UDG bound to double-stranded DNA suggest enzyme–DNA substrate-binding energy from the macromolecular interface is funneled into catalytic power at the active site. The architecturally stabilized closing of UDG enforces distortions of the uracil and deoxyribose in the flipped-out nucleotide substrate that are relieved by glycosylic bond cleavage in the product complex. This experimentally defined substrate stereochemistry implies the enzyme alters the orientation of three orthogonal electron orbitals to favor electron transpositions for glycosylic bond cleavage. By revealing the coupling of this anomeric effect to a delocalization of the glycosylic bond electrons into the uracil aromatic system, this structurally implicated mechanism resolves apparent paradoxes concerning the transpositions of electrons among orthogonal orbitals and the retention of catalytic efficiency despite mutational removal of active-site functional groups. These UDG/DNA structures and their implied dissociative excision chemistry suggest biology favors a chemistry for base-excision repair initiation that optimizes pathway coordination by product binding to avoid the release of cytotoxic and mutagenic intermediates. Similar excision chemistry may apply to other biological reaction pathways requiring the coordination of complex multistep chemical transformations.

Efficient recognition of substrates and substrate analogs by the adenine glycosylase MutY requires the C-terminal domain

The Escherichia coli DNA repair enzyme MutY plays an important role in the prevention of DNA mutations by removing misincorporated adenine residues from 7,8-dihydro-8-oxo-2′-deoxyguanosine:2′-deoxyadenosine (OG:A) mispairs. The N-terminal domain of MutY (Stop 225, Met1–Lys225) has a sequence and structure that is characteristic of a superfamily of base excision repair glycosylases; however, MutY and its homologs contain a unique C-terminal domain. Previous studies have shown that the C-terminal domain confers specificity for OG:A substrates over G:A substrates and exhibits homology to the d(OG)TPase MutT, suggesting a role in OG recognition. In order to provide additional information on the importance of the C-terminal domain in damage recognition, we have investigated the kinetic properties of a form lacking this domain (Stop 225) under multiple- and single-turnover conditions. In addition, the interaction of Stop 225 with a series of non-cleavable substrate and product analogs was evaluated using gel retardation assays and footprinting experiments. Under multiple-turnover conditions Stop 225 exhibits biphasic kinetic behavior with both OG:A and G:A substrates, likely due to rate-limiting DNA product release. However, the rate of turnover of Stop 225 was increased 2-fold with OG:A substrates compared to the wild-type enzyme. In contrast, the intrinsic rate for adenine removal by Stop 225 from both G:A and OG:A substrates is significantly reduced (10- to 25-fold) compared to the wild-type. The affinity of Stop 225 for substrate analogs was dramatically reduced, as was the ability to discriminate between substrate analogs paired with OG over G. Interestingly, similar hydroxyl radical and DMS footprinting patterns are observed for Stop 225 and wild-type MutY bound to DNA duplexes containing OG opposite an abasic site mimic or a non-hydrogen bonding A analog, suggesting that similar regions of the DNA are contacted by both enzyme forms. Importantly, Stop 225 has a reduced ability to prevent DNA mutations in vivo. This implies that the reduced adenine glycosylase activity translates to a reduced capacity of Stop 225 to prevent DNA mutations in vivo.