A macroscopic kinetic model for DNA polymerase elongation and high-fidelity nucleotide election

The enzymatically catalyzed template-directed extension of ssDNA/primer complex is an impor-tant reaction of extraordinary complexity. The DNA polymerase does not merely facilitate the insertion of dNMP, but it also performs rapid screening of substrates to ensure a high degree of fidelity. Several kinetic studies have determined rate constants and equilibrium constants for the elementary steps that make up the overall pathway. The information is used to develop a macro-scopic kinetic model, using an approach described by Ninio [Ninio J., 1987. Alternative to the steady-state method: derivation of reaction rates from first-passage times and pathway probabili-ties. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 84, 663–667]. The principle idea of the Ninio approach is to track a single template/primer complex over time and to identify the expected behavior. The average time to insert a single nucleotide is a weighted sum of several terms, in-cluding the actual time to insert a nucleotide plus delays due to polymerase detachment from ei-ther the ternary (template-primer-polymerase) or quaternary (+nucleotide) complexes and time delays associated with the identification and ultimate rejection of an incorrect nucleotide from the binding site. The passage times of all events and their probability of occurrence are ex-pressed in terms of the rate constants of the elementary steps of the reaction pathway. The model accounts for variations in the average insertion time with different nucleotides as well as the in-fluence of G+C content of the sequence in the vicinity of the insertion site. Furthermore the model provides estimates of error frequencies. If nucleotide extension is recognized as a compe-tition between successful insertions and time delaying events, it can be described as a binomial process with a probability distribution. The distribution gives the probability to extend a primer/template complex with a certain number of base pairs and in general it maps annealed complexes into extension products.

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.

Strukturbildung durch Selbstorganisation von Oligonukleotiden

Die DNA-Doppelhelix ist eine relativ dicke (Ø ≈ 2 nm), kompakte und dadurch auf kurzen Längenskalen relativ steife Verbindung (lp[dsDNA] ≈ 50-60 nm), mit einer klar definierten Struktur, die durch biologische Methoden sehr präzise manipuliert werden kann. Die Auswirkungen der primären Sequenz auf die dreidimensionale Strukturbildung ist gut verstanden und exakt vorhersagbar. Des Weiteren kann DNA an verschiedenen Stellen mit anderen Molekülen verknüpft werden, ohne dass ihre Selbsterkennung gestört wird. Durch die helikale Struktur besteht außerdem ein Zusammenhang zwischen der Lage und der räumlichen Orientierung von eingeführten Modifikationen. Durch moderne Syntheseverfahren lassen sich beliebige Oligonukleotidsequenzen im Bereich bis etwa 150-200 Basen relativ preiswert im Milligrammmaßstab herstellen. Diese Eigenschaften machen die DNA zu einem idealen Kandidaten zur Erzeugung komplexer Strukturen, die durch Selbsterkennung der entsprechenden Sequenzen gebildet werden. In der hier vorgelegten Arbeit wurden einzelsträngige DNA-Abschnitte (ssDNA) als adressierbare Verknüpfungsstellen eingesetzt, um verschiedene molekulare Bausteine zu diskreten nicht periodischen Strukturen zu verbinden. Als Bausteine dienten flexible synthetische Polymerblöcke und semiflexible Doppelstrang-DNA-Abschnitte (dsDNA), die an beiden Enden mit unterschiedlichen Oligonukleotidsequenzen „funktionalisiert“ sind. Die zur Verknüpfung genutzten Oligonukleotidabschnitte wurden so gewählt (n > 20 Basen), dass ihre Hybridisierung zu einer bei Raumtemperatur stabilen Doppelstrangbildung führt. Durch Kombination der Phosphoramiditsynthese von DNA mit einer festkörpergestützten Blockkopplungsreaktion konnte am Beispiel von Polyethylenoxiden ein sehr effektiver Syntheseweg zur Herstellung von ssDNA1-PEO-ssDNA2-Triblockcopolymeren entwickelt werden, der sich problemlos auf andere Polymere übertragen lassen sollte. Die Längen und Basenabfolgen der beiden Oligonukleotidsequenzen können dabei unabhängig voneinander frei gewählt werden. Somit wurden die Voraussetzungen geschaffen, um die Selbsterkennung von Oligonukleotiden durch Kombination verschiedener Triblockcopolymere zur Erzeugung von Multiblockcopolymeren zu nutzen, die mit klassischen Synthesetechniken nicht zugänglich sind. Semiflexible Strukturelemente lassen sich durch die Synthese von Doppelstrangfragmenten mit langen überstehenden Enden (sticky-ends) realisieren. Die klassischen Ansätze der molekularen Genetik zur Erzeugung von sticky-ends sind in diesem Fall nicht praktikabel, da sie zu Einschränkungen im Bezug auf Länge und Sequenz der überhängenden Enden führen. Als Methode der Wahl haben sich zwei verschiedene Varianten der Polymerase Kettenreaktion (PCR) erwiesen, die auf der Verwendung von teilkomplementären Primern beruhen. Die eigentlichen Primersequenzen wurden am 5´-Ende entweder über ein 2´-Desoxyuridin oder über einen kurzen Polyethylenoxid-Spacer (n = 6) mit einer frei wählbaren „sticky-end-Sequenz“ verknüpft. Mit diesen Methoden sind sowohl 3´- als auch 5´-Überhänge zugänglich und die Länge der Doppelstrangabschnitte kann über einen breiten Molmassenbereich sehr exakt eingestellt werden. Durch Kombination derartiger Doppelstrangfragmente mit den biosynthetischen Triblockcopolymeren lassen sich Strukturen erzeugen, die als Modellsysteme zur Untersuchung verschiedener Biomoleküle genutzt werden können, die in Form eines mehrfach gebrochenen Stäbchens vorliegen. Im letzten Abschnitt wurde gezeigt, dass durch geeignete Wahl der überstehenden Enden bzw. durch Hybridisierung der Doppelstrangfragmente mit passenden Oligonukleotiden verzweigte DNA-Strukturen mit Armlängen von einigen hundert Nanometern zugänglich sind. Im Vergleich zu den bisher veröffentlichten Methoden bietet diese Herangehensweise zwei entscheidende Vorteile: Zum einen konnte der Syntheseaufwand auf ein Minimum reduziert werden, zum anderen ist es auf diesem Weg möglich die Längen der einzelnen Arme, unabhängig voneinander, über einen breiten Molmassenbereich zu variieren.

DNA-Polymer-Hybride als molekulare Bausteine

Die DNA hat sich durch die herausstechende Eigenschaft zur Selbstorganisation in den Naturwissenschaften zu einem beliebten Werkzeug entwickelt. In dieser Arbeit wurde die Oligonukleotidselbsterkennung zum Aufbau komplexer Multiblockcopolymere genutzt. Dabei dienten komplementäre einzelsträngige Oligonukleotidsequenzen (ssDNA) als adressierbare Verbindungsstücke zwischen synthetischen Blöcken. Als Bausteine wurden asymmetrische Dreiblockcopolymere der Form DNA1-Polymer-DNA2 aus einer flexiblen Polymereinheit (PEO bzw. PPO) die an beiden Enden mit unterschiedlichen Oligonukleotidsequenzen „funktionalisiert“ ist, verwendet. Diese Bausteine konnten durch die Kombination von Festphasensynthese der Oligonukleotide und Blockkopplung dargestellt werden. Die Oligonukleotidsequenzen wurden so gewählt, dass deren Hybridisierung zu einer bei Raumtemperatur stabilen Verbindung führt. Durch die Verwendung dieser Bausteine erhält man ein modulares System, dass sich durch seine hohe Flexibilität auszeichnet. Aus den dargestellten Dreiblockcopolymeren konnten verschiedene alternierende Multiblockcopolymere aufgebaut werden, wobei die Anzahl der Blöcke (von 11 bis 15) und das PEO / PPO- Verhältnis variiert wurden. Derartige Strukturen sind auf der Grundlage chemischer Synthesen unerreichbar. Die Flexibilität dieses modularen Systems konnte gezeigt werden, indem einzelne Blockbausteine zur Strukturaufklärung einfach ausgetauscht oder weggelassen werden konnten. Durch geeignete Wahl der DNA-Sequenzen konnte zusätzlich das Polymerisationsverhalten dieser Bauelemente untersucht werden. Die Integration längerer kettensteifer DNA-Abschnitte in die Multiblockstrukturen erfolgte durch die Verwendung teilkomplementärer Oligonukleotide. Diese bieten den Vorteil, dass bis zu einer Größe von etwa 150 bp sowohl die Länge als auch die Sequenz der Doppelstrangabschnitte und sticky-ends frei variiert werden können. Die biosynthetischen Dreiblockcopolymere dienten hier als Linkermoleküle zwischen den einzelnen dsDNA-Blöcken. Nach diesem Konzept wurde ein Nonamer als Modellsystem eines mehrfach gebrochenen Stäbchens synthetisiert. Außerdem wurden mit Hilfe der Polymerase Kettenreaktion (PCR) semiflexible DNA Abschnitte erzeugt. Durch die Wahl des Synthesewegs konnte sowohl die Länge der semiflexiblen Einheit als auch die Länge und die Sequenz des sticky-ends variiert werden. Anhand dieser Modellverbindungen wurde dann das Hybridisierungsverhalten in Abhängigkeit der Linker- und Segmentlängen untersucht.

Functional dna nanostructures for in vitro biosensing in live cells

DNA is a fascinating biomolecule that is well known for its genetic role in living systems. The emerging area of DNA nanotechnology provides an alternative view that exploits unparallel self-assembly ability of DNA molecules for material use of DNA. Although many reports exist on the results of DNA self-assembling systems, still few of them focus on the in vitro study about the function of such DNA nanostructures in live cells. Due to this, there are still a limited research about the in vitro functionality of such designs. To address an aspect of this issue, we have designed, synthesized and characterized two multifunctional fluorescencent nanobiosensors by DNA self-assembling. Each structure was designed and implemented to be introduced in live cells in order to give information on their functioning in real-time. Computational tools were used in order to design a graphic model of two new DNA motifs and also to obtain the specific sequences to all the ssDNA molecules. By thermal self-assembly techniques we have successfully synthesized the structure and corroborate their formation by the PAGE technique. In addition, we have established the conditions to characterize their structural conformation change when they perform their sensor response. The sensing behavior was also accomplished by fluorescence spectroscopy techniques; FRET evaluation and fluorescence microscopy imaging. Providing the evidence about their adequate sensing performance outside and inside the cells detected in real-time. In a preliminary evaluation we have tried to show the in vitro functionality of our structures in different cancer cell lines with the ability to perform local sensing responses. Our findings suggest that DNA sensor nanostructures could serve as a platform to exploit further therapeutic achievements in live cells.

Einfluss verschiedener nanopartikulärer Systeme auf die zelluläre Aufnahme und Zytotoxizität

Die vorliegende Dissertation untersucht Nanopartikel und Nanokapseln aus verschiedenen Materialien mit verschiedenen Modifikationen für einen zielgerichteten Medikamententransport (Drug Targeting). Obwohl bisher zahlreiche Nanopartikel und -kapseln synthetisiert wurden, besteht nach wie vor hinsichtlich der zellulären Verträglichkeit, Biokompatibilität und Aufnahme kein allumfassendes Verständnis. Mit Hilfe der in dieser Arbeit vorgestellten Untersuchungen und Ergebnissen soll ein Beitrag zur Schließung dieser Lücke geleistet werden.rnIm Rahmen der vorliegenden Dissertation wurde der Einfluss der Herstellungsmaterialien PS, PLLA, PMMA, Biomakromoleküle (BSA, DNA), ggf. stabilisiert durch HPMA-LMA-Copolymere und neu-synthetisierte Surfmere, der Formmodifikationen Streckung und Kristallisierung, der Oberflächenmodifikationen mittels verschiedener Tenside und PEG auf die zelluläre Aufnahme und Verträglichkeit hin untersucht.rnZusammenfassend lässt sich die Aussage treffen, dass zahlreiche Materialien zur Herstellung von Trägersystemen geeignet sind und sich als biokompatibel und nicht-zytotoxisch erwiesen haben, sich jedoch stark hinsichtlich der Aufnahmeeffizienz in verschiedene Zelllinien unterscheiden. rnIm ersten Abschnitt (Kapitel 5.1) wurden in der ersten und zweiten Untersuchung auf allgemeine Parameter, die die Aufnahme von Nanopartikeln beeinflussen, eingegangen. Hier wurde der Einfluss des Alters von PLLA-Partikeln auf die zelluläre Aufnahme und Toxizität untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass mit zunehmender Materialalterung die zelluläre Aufnahme abnimmt. Eine Zytotoxizität konnte nicht gezeigt werden.rnWeiterhin wurde der Einfluss des FCS-Gehalts des Zell-Mediums auf die zelluläre Aufnahme von PMMA-Partikeln untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass mit einer steigenden FCS-Konzentration eine Abnahme der zellulären Aufnahme von PMMA-Partikeln einhergeht. Die höchste zelluläre Aufnahme konnte bei einem FCS-Gehalt des Zellmediums von 0,05% verzeichnet werden. rnIm zweiten Abschnitt (Kapitel 5.2) wurde die Stabilisierung von Nanopartikeln mittels neusynthetisierter Tenside und deren Einfluss auf die Zelle-Nanopartikel-Interaktionen untersucht. Dazu wurde zum einen die Oberflächenfunktionalisierung von Nanopartikeln mit Hilfe neu-synthetisierter „Surfmere“ und deren Einfluss auf die zelluläre Aufnahme und Toxizität untersucht. Die hergestellten Surfmere bewirken gleichzeitig eine Stabilisierung und Funktionalisierung der Nanopartikeloberfläche mit Phosphonatgruppen. Hier wurden kovalente „Surfmer“ stabilisierte Nanopartikel mit Tensid- (SDP) stabilisierten Nanopartikeln verglichen. Zudem wurden dialysierte Nanopartikel mit nicht-dialysierten verglichen. Bezüglich der zellulären Aufnahme konnte für die mittels Dialyse gereinigten Nanopartikel eine gute Aufnahme ohne Unterschiede zwischen den kovalent und nicht-kovalent Phosphonat-funktionalisierten Partikeln beobachtet werden. Die ungereinigten, SDP-stabilisierte, nicht-kovalent gebundene Nanopartikel zeigten hingegen eine bis zu 30% stärkere Aufnahme in die HeLa-Zellen und hMSCs.rnWeiterhin der Einsatz von mit HPMA-LMA-Copolymeren stabilisierte Polystyrol- und PLLA-Partikel, die den Einsatz von Tensiden während des Miniemulsionsprozesses überflüssig machen, untersucht. Auch hier konnte keine Zytotoxizität nachgewiesen werden. Die Aufnahme in HeLa-Zellen scheint mehr von der Größe der Nanopartikel als vom verwendeten Material und in hMSCs mehr von den Oberflächeneigenschaften der Nanopartikel abzuhängen.rnIm dritten Abschnitt (Kapitel 5.3) wird auf die Möglichkeit der Formmodifikation von Polystyrol-Partikeln und deren Einfluss auf die Nanopartikel-Zelle-Interaktionen eingegangen. Es geht dabei um die Aufnahme und Zytotoxizität von verstreckten (elongierten) Polystyrol-Partikeln im Vergleich zu sphärischen Nanopartikeln, sowie die Aufnahme und Zytotoxizität von kristallinen Polystyrol-Partikeln in verschiedene Zelllinien. Bei den verstreckten Partikeln nimmt die Aufnahme-Effizienz in HeLa-Zellen und hMSCs mit zunehmender Verstreckung ab. Eine Zytotoxizität konnte für keinen der erwähnten Nanopartikel nachgewiesen werden. Bei den Polystyrol-Partikeln unterschiedlicher Taktizität zeigen die kristallierten Polystyrol-Partikel eine geringfügig besser Aufnahme-Rate als die nicht-kristallierten Polystyrol-Partikel. Dabei zeigen die nach dem Herstellungsprozess mittels der Lösemittelverdampfungstechnik der wässrigen Phase entnommenen Partikel eine bessere Aufnahme als die nach der Verdampfung des Chloroforms verfügbaren Partikel. Insgesamt konnte jedoch für alle Polystyrol-Partikel trotz der unterschiedlichen Taktizitäten nach der Aufnahme in HeLa-Zellen und hMSCs mittels Durchflusszytometrie hohe Fluoreszenz-Intensitäten verzeichnet werden. Setzt man hohe Fluoreszenz-Intensitäten bei in Zellen aufgenommenen Partikeln mit guten Aufnahmeraten gleich, sind die hier dargestellten Aufnahmeraten als sehr gut zu bezeichnen. rnAuf Nanosysteme mit einer reduzierten zellulären Aufnahme wird im letzten Abschnitt (Kapitel 5.4) eingegangen. Dabei wird zum einen die unterschiedliche Oberflächenmodifikation von Polystyrol-Partikeln mit dem Co-Monomer PEG-MA und den Tensiden SDS und Lutensol AT50 untersucht. Von PEG-MA wurden zudem verschiedene Molekulargewichte (Mn=300 g•mol-1 und Mn=2080 g•mol-1) und verschiedene Konzentrationen (1,5%, 5%, 10%) eingesetzt. Ein Teil der Partikel wurde mit SDS und der andere Teil mit Lutensol AT50 hergestellt. In einem weiteren Schritt wurde das jeweilig gegenteilige Tensid (statt SDS Lutensol AT50 und umgekehrt) eingesetzt, um zu überprüfen, ob sich der zuvor beobachtete Effekt umkehren lässt. Anschließend wurde ein erst mit SDS stabilisierter Nanopartikel (BR01) mit verschiedenen Lutensol AT50-Anteilen (5%, 10%, 25%, 50%, 100%) redispergiert. Die effizienteste Aufnahme zeigte der unmodifizierte, mit SDS stabilisierte Nanopartikel BR01, die niedrigste der ebenfalls unmodifizierte, mit Lutensol AT50 stabilisierte Nanopartikel BR02. Eine steigende Konzentration des PEG-MA Mn=300 g•mol-1 hemmt die Aufnahme von mit SDS stabilisierten Partikeln konstant. Für PEG-MA Mn=2080 g•mol-1 konnte hingegen kein Einfluss nachgewiesen werden. Für die mit Lutensol AT50 stabilisierten Partikel konnte kein Einfluss von PEG-MA nachgewiesen werden. Daraus resultiert, dass der Einsatz von physikalisch adsorbiertem Lutensol AT50 die zelluläre Aufnahme effektiver hemmt als der Einsatz von kovalent gebundenem PEG-MA unterschiedlicher Kettenlänge.rnDer Einsatz von mit Biomakromolekülen hergestellten Nanokapseln, die mit zwei verschiedenen Tensiden (SDS und Lutensol AT50) stabilisiert wurden, wurde im Weiteren näher untersucht. Bei den mit SDS stabilisierten Kapseln erwiesen sich die mit ssDNA hergestellten Kapseln BN-54 und BN-55 als leicht toxisch für die HeLa-Zellen. Dagegen sind alle eingesetzten, mit Lutensol AT50 redispergierten Nanokapseln sowohl für HeLa-Zellen als auch für hMSCs zytotoxisch. Hier ist die toxische Wirkung auf das nicht-ionische Tensid Lutensol AT50 zurückzuführen. Eine zelluläre Aufnahme konnte für keine mit Biomakromolekülen hergestellten Nanokapsel nachgewiesen werden.rnDen Abschluss der Untersuchungen bildet die vergleichende Analyse der in dieser Arbeit mit dem Fluoreszenzfarbstoff PMI versehenen Partikeln hinsichtlich deren Aufnahme in HeLa-Zellen und hMSCs und deren zytotoxische Auswirkungen. In der vergleichenden Analyse werden die zuvor vorgestellten Ergebnisse für PMI-Partikeln nochmal im Kontext betrachtet. Dabei erwies sich sowohl für die HeLa-Zellen als auch für die hMSCs, dass die meisten Partikel eine geringe bis keine zelluläre Aufnahme zeigen. Eine gute Aufnahme konnte nur für wenige Nanopartikel (vor allem für die kristallinen Nanopartikel) verzeichnet werden. Eine Korrelation zwischen der Aufnahmeeffizienz und der Zytotoxizität konnte nicht nachgewiesen werden. rn

Reversal of established lupus nephritis and prolonged survival of New Zealand black x New Zealand white mice treated with the topoisomerase I inhibitor irinotecan

Systemic lupus erythematosus is a chronic autoimmune disorder that predominantly affects women of childbearing age. Lupus-associated glomerulonephritis is a major cause of mortality in these patients. Current treatment protocols for systemic lupus erythematosus include cyclophosphamide, prednisolone, azathioprine, and mycophenolate mofetil. However, in mice none of these agents alone or in combination were shown to reverse established proteinuria. Using New Zealand Black x New Zealand White F1 mice, we report that administration of the topoisomerase I inhibitor irinotecan from week 13 completely prevented the onset of proteinuria and prolonged survival up to at least 90 wk without detectable side effects. Furthermore, application of irinotecan to mice with established lupus nephritis, as indicated by grade 3+ (> or =300 mg/dl) and grade 4+ (> or =2000 mg/dl) proteinuria and, according to a median age of 35 wk, resulted in remission rates of 75% and 55%, respectively. Survival was significantly prolonged with 73 wk (grade 3+ and 4+ combined) versus 40 wk for control animals. Although total IgG and anti-dsDNA Abs in the serum and mesangial IgG deposits in the kidneys were not reduced in irinotecan-treated mice, subendothelial immune deposits were considerably diminished, suggesting a prevention of glomerular basement membrane disruption. This effect was accompanied by increased rates of ssDNA breaks and inhibition of renal cell apoptosis being different to what is known about irinotecan in anticancer therapy. In conclusion, our data provide evidence that irinotecan might represent an entirely new strategy for the treatment of systemic lupus erythematosus.

Insight into the strand exchange reaction promoted by the RecA protein of {\it Escherichia coli\/}

In vitro, RecA protein catalyses the exchange of single strands of DNA between different DNA molecules with sequence complementarity. In order to gain insight into this complex reaction and the roles of ATP binding and hydrolysis, two different approaches have been taken. The first is to use short single-stranded deoxyoligonucleotides as the ssDNA in strand exchange. These were used to determine the signal for hydrolysis and the structure of the RecA-DNA complex that hydrolyses ATP. I present a defined kinetic analysis of the nucleotide triphosphatase activity of RecA protein using short oligonucleotides as ssDNA cofactor. I compare the effects of both homopolymers and mixed base composition oligomers on the ATPase activity of RecA protein. I examine the steady state kinetic parameters of the ATPase reaction using these oligonucleotides as ssDNA cofactor, and show that although RecA can both bind to, and utilise, oligonucleotides 7 to 20 residues in length to support the repressor cleavage activity of RecA, these oligonucleotides are unable to efficiently stimulate the ATPase activity of RecA protein. I show that the K$\sb{\rm m}\sp{\rm ATP}$, the Hill coefficient for ATP binding, the extent of reaction, and k$\sb{\rm cat}$ are all a function of ssDNA chain length and that secondary structure may also play a role in determining the effects of a particular chain length on the ATPase activity of RecA protein.^ The second approach is to utilise one of the many mutants of RecA to gain insight into this complex reaction. The mutant selected was RecA1332. Surprisingly, in vitro, this mutant possesses a DNA-dependent ATPase activity. The K$\sb{\rm m}\sp{\rm ATP}$, Hill coefficient for ATP binding, and K$\sb{\rm m}\sp{\rm DNA}$ are similar to that of wild type. k$\sb{\rm cat}$ for the ATPase activity is reduced 3 to 12-fold, however. RecA1332 is unable to use deoxyoligonucleotides as DNA cofactors in the ATPase reaction, and demonstrates an increased sensitivity to inhibition by monovalent ions. It is able to perform strand exchange with ATP and ATP$\lbrack\gamma\rbrack$S but not with UTP, whereas the wild type protein is able to use all three nucleotide triphosphates. RecA1332 appears to be slowed in its ability to form intermediates and to convert these intermediates to products. (Abstract shortened by UMI.) ^

Influences of porcine circo-, arteriviruses and cathelicidins in plasmacytoid dendritic cell-derived interferon-alpha responses

Type I interferons (IFNs), mainly IFN-α/β play a crucial role in innate defense against viruses. In addition to their direct antiviral activity, type I IFNs have antitumoral and immunomodulatory effects. Although all cells are virtually able to induce IFN-α, the plasmacytoid dendritic cell (pDC) subset represents the ultimate producers of IFN-α as well as other proinflammatory cytokines. Due to the specific expression of TLR7 and TLR9 recognizing single-stranded (ss) RNA and unmethylated CpG motifs respectively, pDCs can secrete up to 1000 times more IFN-α than any cellular types. Additionally, it is well known that several cytokines including type I and II IFNs, Flt3-L, IL-4 and GM-CSF favor pDC-derived IFN-α responses to unmethylated CpG motifs. In a first step, we aimed to characterize and clarify the interactions of two porcine viruses with pDCs. The double-stranded DNA replicative forms of porcine circovirus type 2 (PCV2) were demonstrated to inhibit CpG-induced IFN- α by pDCs. Our study showed that none of the cytokines known to enhance pDC responsiveness can counter-regulate the PCV2-mediated inhibition of IFN-α induced by CpG, albeit IFN-γ significantly reduced the level of inhibition. Interestingly, the presence of IFN-γ enabled pDCs to induce IFN-α to low doses of PCV2. We also noted that after DNase treatment, PCV2 preparations were still able to stimulate pDCs. These data suggest that encapsulated viral ssDNA promotes the induction of IFN-α in pDCs treated with IFN-γ whereas free DNA, presumably as double-stranded forms, was responsible for inhibiting pDC responses. Regarding PRRSV, it has been reported that North American isolates did not induce and even inhibited IFN-α response in pDCs. However, PRRSV infection was also shown to lead to an induction of IFN-α in the serum and in the lungs suggesting that certain cells are responsive to the virus. Contrasting to previous reports we found that numerous PRRSV isolates directly induced IFN-α in pDCs. This response was still observed after UV-inactivation of viruses and required TLR7 signaling. The inhibition of CpG-induced IFN-α was weak and strain dependent, again contrasting with a previous report. We also observed that IFN-γ and IL-4 enhanced IFN-α response to two prototype strains, VR-2332 and LVP23. In summary, we demonstrated that both PCV2 and PRRSV promote IFN-α secretion in pDCs in vitro suggesting that IFN-α detected in PCV2- or PRRSV-infected animal might originate from pDCs. On the other hand, PRRSV replication is restricted to the macrophage (MΦ) lineage. These innate immune cells represent a heterogeneous population which can be induce to “classical” (M1) and “alternative” (M2) activated MΦ acquiring inflammatory or “wound-healing” functional properties, respectively. Nonetheless, little is known about the effect of polarization into M1 or M2 and the susceptibility of these cells to PRRSV. Thus, we examined the impact of cytokine on MΦ polarization into M1 or M2. Infections of these cells by several PRRSV isolates enabled the discrimination of PRRSV isolate in a genotype- and irulencedependent manner in M1 and IFN-β-activated MΦ. In contrast, the expression of PRRSV nucleocapsid in M2 or inactivated MΦ was indistinguishable among the PRRSV isolates tested. In the last part of my Thesis, we investigated the influence of three synthetic porcine cathelicidin peptides for their ability to deliver nucleic acid to pDCs. We reported that all cathelicidins tested can complex and quickly deliver nucleic acids resulting in IFN-α induction. Moreover, we show that the typical α- helical amphipathic conformation is required to mediate killing of bacteria but not for inducing IFN-α secretion by pDCs. Furthermore, we found that E.coli treated with one of these cathelicidins is able to induce significantly higher levels of IFN-α compared to a non-sense version of the peptide. These data suggest that cathelicidins could influence the immune response in a two-step process. First, these peptides target bacteria leading to cell lysis. In turn, cathelicidins form complexes and deliver extracellular microbial nucleic acids released into pDCs. These pDC-derived IFN-α responses could be of particular relevance in driving the adaptive immune responses against microbial infections.

Whole genome RNAi screens reveal a critical role of REV3 in coping with replication stress

REV3, the catalytic subunit of translesion polymerase zeta (polζ), is commonly associated with DNA damage bypass and repair. Despite sharing accessory subunits with replicative polymerase δ, very little is known about the role of polζ in DNA replication. We previously demonstrated that inhibition of REV3 expression induces persistent DNA damage and growth arrest in cancer cells. To reveal determinants of this sensitivity and obtain insights into the cellular function of REV3, we performed whole human genome RNAi library screens aimed at identification of synthetic lethal interactions with REV3 in A549 lung cancer cells. The top confirmed hit was RRM1, the large subunit of ribonucleotide reductase (RNR), a critical enzyme of de novo nucleotide synthesis. Treatment with the RNR-inhibitor hydroxyurea (HU) synergistically increased the fraction of REV3-deficient cells containing single stranded DNA (ssDNA) as indicated by an increase in replication protein A (RPA). However, this increase was not accompanied by accumulation of the DNA damage marker γH2AX suggesting a role of REV3 in counteracting HU-induced replication stress (RS). Consistent with a role of REV3 in DNA replication, increased RPA staining was confined to HU-treated S-phase cells. Additionally, we found genes related to RS to be significantly enriched among the top hits of the synthetic sickness/lethality (SSL) screen further corroborating the importance of REV3 for DNA replication under conditions of RS.

Generation of long, fully modified, and serum-resistant oligonucleotides by rolling circle amplification

Rolling Circle Amplification (RCA) is an isothermal enzymatic method generating single-stranded DNA products consisting of concatemers containing multiple copies of the reverse complement of the circular template precursor. Little is known on the compatibility of modified nucleoside triphosphates (dN*TPs) with RCA, which would enable the synthesis of long, fully modified ssDNA sequences. Here, dNTPs modified at any position of the scaffold were shown to be compatible with rolling circle amplification, yielding long (>1 kb), and fully modified single-stranded DNA products. This methodology was applied for the generation of long, cytosine-rich synthetic mimics of telomeric DNA. The resulting modified oligo-nucleotides displayed an improved resistance to fetal bovine serum.

Import of DNA into mammalian nuclei by proteins originating from a plant pathogenic bacterium

Import of DNA into mammalian nuclei is generally inefficient. Therefore, one of the current challenges in human gene therapy is the development of efficient DNA delivery systems. Here we tested whether bacterial proteins could be used to target DNA to mammalian cells. Agrobacterium tumefaciens, a plant pathogen, efficiently transfers DNA as a nucleoprotein complex to plant cells. Agrobacterium-mediated T-DNA transfer to plant cells is the only known example for interkingdom DNA transfer and is widely used for plant transformation. Agrobacterium virulence proteins VirD2 and VirE2 perform important functions in this process. We reconstituted complexes consisting of the bacterial virulence proteins VirD2, VirE2, and single-stranded DNA (ssDNA) in vitro. These complexes were tested for import into HeLa cell nuclei. Import of ssDNA required both VirD2 and VirE2 proteins. A VirD2 mutant lacking its C-terminal nuclear localization signal was deficient in import of the ssDNA–protein complexes into nuclei. Import of VirD2–ssDNA–VirE2 complexes was fast and efficient, and was shown to depended on importin α, Ran, and an energy source. We report here that the bacterium-derived and plant-adapted protein–DNA complex, made in vitro, can be efficiently imported into mammalian nuclei following the classical importin-dependent nuclear import pathway. This demonstrates the potential of our approach to enhance gene transfer to animal cells.

The β subunit sliding DNA clamp is responsible for unassisted mutagenic translesion replication by DNA polymerase III holoenzyme

The replication of damaged nucleotides that have escaped DNA repair leads to the formation of mutations caused by misincorporation opposite the lesion. In Escherichia coli, this process is under tight regulation of the SOS stress response and is carried out by DNA polymerase III in a process that involves also the RecA, UmuD′ and UmuC proteins. We have shown that DNA polymerase III holoenzyme is able to replicate, unassisted, through a synthetic abasic site in a gapped duplex plasmid. Here, we show that DNA polymerase III*, a subassembly of DNA polymerase III holoenzyme lacking the β subunit, is blocked very effectively by the synthetic abasic site in the same DNA substrate. Addition of the β subunit caused a dramatic increase of at least 28-fold in the ability of the polymerase to perform translesion replication, reaching 52% bypass in 5 min. When the ssDNA region in the gapped plasmid was extended from 22 nucleotides to 350 nucleotides, translesion replication still depended on the β subunit, but it was reduced by 80%. DNA sequence analysis of translesion replication products revealed mostly −1 frameshifts. This mutation type is changed to base substitution by the addition of UmuD′, UmuC, and RecA, as demonstrated in a reconstituted SOS translesion replication reaction. These results indicate that the β subunit sliding DNA clamp is the major determinant in the ability of DNA polymerase III holoenzyme to perform unassisted translesion replication and that this unassisted bypass produces primarily frameshifts.

Identification and characterization of a single-stranded DNA-binding protein from the archaeon Methanococcus jannaschii

Single-stranded DNA-binding proteins (SSBs) play essential roles in DNA replication, recombination, and repair in bacteria and eukarya. We report here the identification and characterization of the SSB of an archaeon, Methanococcus jannaschii. The M. jannaschii SSB (mjaSSB) has significant amino acid sequence similarity to the eukaryotic SSB, replication protein A (RPA), and contains four tandem repeats of the core single-stranded DNA (ssDNA) binding domain originally defined by structural studies of RPA. Homologous SSBs are encoded by the genomes of other archaeal species, including Methanobacterium thermoautotrophicum and Archaeoglobus fulgidus. The purified mjaSSB binds to ssDNA with high affinity and selectivity. The apparent association constant for binding to ssDNA is similar to that of RPA under comparable experimental conditions, and the affinity for ssDNA exceeds that for double-stranded DNA by at least two orders of magnitude. The binding site size for mjaSSB is ≈20 nucleotides. Given that RPA is related to mjaSSB at the sequence level and to Escherichia coli SSB at the structural level, we conclude that the SSBs of archaea, eukarya, and bacteria share a common core ssDNA-binding domain. This ssDNA-binding domain was presumably present in the common ancestor to all three major branches of life.

Nuclear foci of mammalian recombination proteins are located at single-stranded DNA regions formed after DNA damage

A sensitive and rapid in situ method was developed to visualize sites of single-stranded (ss) DNA in cultured cells and in experimental test animals. Anti-bromodeoxyuridine antibody recognizes the halogenated base analog incorporated into chromosomal DNA only when substituted DNA is in the single strand form. After treatment of cells with DNA-damaging agents or γ irradiation, ssDNA molecules form nuclear foci in a dose-dependent manner within 60 min. The mammalian recombination protein Rad51 and the replication protein A then accumulate at sites of ssDNA and form foci, suggesting that these are sites of recombinational DNA repair.