Gene Expression Profile in Response to Doxorubicin-Rapamycin Combined Treatment of HER-2-Overexpressing Human Mammary Epithelial Cell Lines

HER-2-positive breast cancers frequently sustain elevated AKT/mTOR signaling, which has been associated with resistance to doxorubicin treatment. Here, we investigated whether rapamycin, an mTOR inhibitor, increased the sensitivity to doxorubicin therapy in two HER-2-overexpressing cell lines: C5.2, which was derived from the parental HB4a by transfection with HER-2 and SKBR3, which exhibits HER-2 amplification. The epithelial mammary cell line HB4a was also analyzed. The combined treatment using 20 nmol/L of rapamycin and 30 nmol/L of doxorubicin arrested HB4a and C5.2 cells in S to G(2)-M, whereas SKBR3 cells showed an increase in the G(0)-G(1) phase. Rapamycin increased the sensitivity to doxorubicin in HER-2-overexpressing cells by approximately 2-fold, suggesting that the combination displayed a more effective antiproliferative action. Gene expression profiling showed that these results might reflect alterations in genes involved in canonical pathways related to purine metabolism, oxidative phosphorylation, protein ubiquitination, and mitochondrial dysfunction. A set of 122 genes modulated by the combined treatment and specifically related to HER-2 overexpression was determined by finding genes commonly regulated in both C5.2 and SKBR3 that were not affected in HB4a cells. Network analysis of this particular set showed a smaller subgroup of genes in which coexpression pattern in HB4a cells was disrupted in C5.2 and SKBR3. Altogether, our data showed a subset of genes that might be more robust than individual markers in predicting the response of HER-2-overexpressing breast cancers to doxorubicin and rapamycin combination. Mol Cancer Ther; 11(2); 464-74. (C) 2011 AACR.

Prognostication of Soft Tissue Sarcomas Based on Chromosome 17q Gene and Protein Status: Evaluation of TOP2A, HER-2/neu, and Survivin

Topoisomerase 2 alpha (), HER-2/ and are genes that lie on chromosome 17 and correlate with the prognosis and prediction of target-driven therapy against tumors. In a previous study, we showed that TOP2A transcripts levels were significantly higher in soft tissue sarcomas (STS) than in benign tumors and desmoid-type fibromatoses (FM). Because these genes have been insufficiently examined in STS, we aimed to identify alterations in TOP2A and HER-2 expression by fluorescent in situ hybridization and immunohistochemistry, as well as that of survivin, and correlate them with clinicopathologic findings to assess their prognostic value. Eighteen FM and 244 STS were included. Fluorescent in situ hybridization and immunohistochemistry were performed on a tissue microarray. TOP2A and survivin were more highly expressed in sarcomas than in FM. TOP2A was an independent predictor of an unfavorable prognosis; it was combined with formerly established prognostic factors (primarily histologic grade and tumor size at diagnosis) to create a prognostic index that evaluated overall survival. Gene amplification/polysomy (13%) did not correlate with protein overexpression. Survivin and HER-2 expression were not associated with patient outcomes. These findings might become valuable in the management of patients with STS and possibly in the prospective evaluation of responses to new target-driven therapies.

Design, Synthese und biologische Evaluierung von Pyrrolcarboxamiden mit Nucleobasen- oder tricyclischer Aromatenfunktion

Ausgehend von den Naturstoffen Netropsin und Distamycin A, antitumoraktiven Pyrrolcarboxamiden, die selektiv an AT-reiche Sequenzen in der kleinen Rinne (Minor-Groove) der DNA binden, sollten neue Nucleobasen- bzw. Interkalator-gekoppelte Derivate (letztere werden als „Combilexine“ bezeichnet) synthetisiert und biologisch evaluiert werden. Unter Zuhilfenahme quantenchemischer AM1-Rechnungen sollten Struktur-Wirkungs-Beziehungen abgeleitet werden. Als Grundgerüst diente die Mono- bzw. Bispyrrolcarboxamid-Einheit mit C-terminaler N,N-Dimethyl-1,3-diaminopropan-Seitenkette, die die ebenfalls basische Amidinstruktur der Leitsubstanzen imitieren sollte. Variationen erfolgten ausschließlich am N-terminalen Ende. Hierbei wurden zunächst Adenin-, Thymin- und Uracil-alkancarbonsäuren mit variabler Kettenlänge synthetisiert und über verschiedene Amidkupplungsverfahren an die Aminofunktion des Pyrrolcarboxamid-Grundgerüstes geknüpft. In Analogie hierzu folgte die Synthese von Combilexinen mit Acridon, (Nitro-)Naphthalimid und Iminostilben als Interkalatorkomponenten. Im 3. synthetischen Teil der Arbeit wurden Carbonsäure- und Sulfonylchloride des Interkalators Acridin und des Interkalators und Photosensibilisators Anthrachinon über die aliphatischen Linker ß-Alanin und -Aminobuttersäure an das Pyrrolcarboxamidgrundgerüst gebunden. Testungen von Verbindungen aller 3 Serien auf Zytotoxizität beim National Cancer Institute, USA, und DNA-Bindestudien und Topoisomerase-Hemmtests im Laboratory of Pharmacology, INSERM in Lille, Frankreich, schlossen sich an. Bei allen Verbindungen mit mindestens 3 Carboxamid-Funktionen zeigte sich gute bis ausgezeichnete DNA-Bindung; einige wiesen Topoisomerase II - Hemmung auf. Beide Parameter korrelierten allerdings nicht mit der Zytotoxizität, was vor allem an der mangelhaften Zellmembranpermeation einiger Verbindungen aufgrund zu geringer Lipophilie liegen dürfte. Quantenchemische Rechnungen ergaben ebenfalls wenige Gesetzmäßigkeiten. Ein elektronenarmer N-terminaler Rest (wie im Falle des hochpotenten Iminostilben-Derivates) scheint aber die Zytotoxizität einer Substanz ebenso wie zunehmende Linkerlänge zu begünstigen. Eine Ausnahme bilden hier die Anthrachinonderivate. Die drei zytotoxisch aktivsten Vertreter dieser Gruppe besitzen als Linker ß-Alanin, was eine aus der sonst bei Minor-Groove-Bindern üblichen Kurvature herausragende Konformation zur Folge hat. Diese ermöglicht vermutlich eine besonders gute Interaktion mit der DNA.

Generierung und Prozessierung oxidativer DNA-Schäden

Generierung und Prozessierung oxidativer DNA Schäden --- Ziel dieser Arbeit war es, adaptive Antworten der Zellen auf einen DNA Schädigung zu untersuchen. Hierzu wurden Experimente zur Reparatur oxidierter Basen (Substrate der Basen Exzisions Reparatur (BER)) oder von Pyrimidindimeren (Substrate der Nukleotid Exzisions Reparatur (NER)) nach einer Vorbehandlung mit DNA-schädigender Agenzien durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten, dass sowohl eine Vorbehandlung mit einer alkylierenden als auch mit einer oxidierenden Substanz zu einer adaptiven Erhöhung des zellulären Glutathionspiegels führte, die 16 h nach der Schädigung ihr Maximum erreichte. Jedoch waren die 8-oxoG Glykosylaseaktivitäten über einen Zeitraum von 18 h konstant. Diese Effekte waren unabhängig davon, ob Maus Embryofibroblasten, primäre oder p53 profiziente menschliche Zellen verwendet wurden. Die BER war ebenfalls in keiner der verschiedenen Zelllinien signifikant verbessert. Die adaptive Antwort bezüglich der Glutathionspiegel war also nicht mit einer entsprechenden Veränderung bei der DNA-Reparatur verbunden. Folglich ist die Reparatur von oxidativen DNA-Schäden durch eine vorausgehende Schädigung nicht induzierbar. Der zweite Teil der Untersuchungen zu der Reparatur beschäftigte sich mit der NER. Hierzu wurde die Reaktivierung eines mit UVB-Strahlung geschädigten Plasmids untersucht. Als Wirtszellen fungierten primäre menschliche Fibroblasten und Keratinozyten, die entweder mit UVB vorbehandelt oder ungeschädigt waren. Auch für die NER konnte keine signifikante Beschleunigung der Reparatur von Pyrimidindimeren durch eine Vorbehandlung festgestellt werden. Die Reaktivierung erfolgte ferner unabhängig vom p53-Status der Zellen, wie Versuche mit p53-siRNA zeigten. Neben der Prozessierung war die Generierung oxidativer DNA Schäden Gegenstand der Arbeit. Die verwendete Substanz Tirapazamin (TPZ) ist ein für hypoxische Zellen selektives, neues Zytostatikum und befindet sich momentan in Phase 2/3 der klinischen Prüfung. Ziel war es die von TPZ verursachten DNA Modifikationen zu charakterisieren, sowie die Toxizität und Genotoxizität zu untersuchen. Da es Hinweise auf eine Aktivierung von TPZ über eine Oxidoreduktase (OR) gab, wurden die Experimente in Wildtyp und hOR überexprimierenden Zellen durchgeführt. Die Quantifizierung der verursachten DNA-Modifikationen zeigte, dass der von TPZ verursachte Schaden in Zellen mit hOR erhöht war. Das erhaltene Schadensprofil der durch TPZ verursachten DNA-Modifikationen war dem Schadensprofil von durch Gamma-Strahlung intrazellulär verursachten Hydroxylradikalen sehr ähnlich. Da es nach der Aktivierung von TPZ durch eine OR zu einer Abspaltung von Hydroxylradikalen kommt, bestätigte dies den vermuteten Mechanismus. Weitere Untersuchungen mit t-Butanol, einem Hydroxylradikal Fänger, ergaben eine verminderte DNA-Schädigung, was ebenfalls für eine DNA-Schädigung durch Hydroxylradikale spricht. Untersuchungen zur Mutagenität zeigten das die Mutationsrate in Zellen mit hOR um das 4 fache erhöht ist. Erstaunlich war jedoch, dass der im gleichen Ausmaß von Gamma-Strahlung verursachte DNA-Schaden für die beobachtete Toxizität dieser verantwortlich war, während bei TPZ unter den gleichen Bedingungen keine Toxizität vorlag. Erklärt werden könnte die erhöhte Toxizität und Mutagenität durch so genannte geclusterte DNA-Schäden, die von Gamma-Strahlen, nicht jedoch von TPZ gebildet werden. Nach einer verlängerten Inkubation wurde sowohl für die Toxizität als auch für die Genotoxizität erneut ein verstärkender Effekt durch die OR bestätigt. Überraschend war weiterhin die von der OR unabhängige Generierung von Doppelstrangbrüchen, für die demnach ein grundsätzlich anderer Mechanismus, wie zum Beispiel eine direkte Interaktion mit der Topoisomerase II, angenommen werden muss.

Untersuchungen zum Einfluss des HMG-CoA-Reduktase-Inhibitors Lovastatin auf die Toxizität ionisierender Strahlung sowie des Anthrazyklinderivats Doxorubicin im Mausmodell

Hintergund: HMG-CoA-Reduktase-Inhibitoren (Statine) sind klinisch etablierte Cholesterinsenker. Über die Inhibition der intrinsischen Cholesterinbiosynthese hinaus zeigen sie sogenannte pleiotrope biologische Effekte. Ein Großteil dieser Wirkungen wird auf die Inhibition kleiner Ras homologer GTPasen (Rho GTPasen) zurückgeführt. In vitro schützt das Statinderivat Lovastatin (Lova) primäre humane Endothelzellen vor der Zytotoxizität von ionisierender Strahlung (IR) und dem Krebsmedikament Doxorubicin (Doxo). Zielsetzung: Die Relevanz dieser Befunde für ein in vivo Mausmodell sollte in der vorliegenden Arbeit überprüft werden. Dafür wurden BALB/c-Mäuse mit IR oder Doxo behandelt und der Einfluss einer Kobehandlung mit Lova auf verschiedene Toxizitätsendpunkte untersucht (24 h nach einer einzelnen hohen Dosis IR (i), 14 Tage nach zwei geringen Dosen IR (ii), 48 h nach einer einzelnen hohen Dosis Doxo (iii), sowie 8 Tage nach drei niedrigen Dosen Doxo (iv)). Eine mögliche gleichzeitige Protektion von Tumorzellen durch die Statingabe wurde in einem Xenotransplantationsexperiment überprüft (v), in dem das gleiche Behandlungsschema wie bei iv angewendet wurde. Ergebnisse: Es konnte gezeigt werden, dass eine Statinbehandlung Normalgewebe vor Doxo- und IR-induzierter Toxizität schützt, ohne gleichzeitig protektiv auf transformierte Zellen zu wirken. Dieser Effekt ist wahrscheinlich von einer Inhibition der kleinen GTPasen Rac1 und RhoA abhängig und einer daraus folgenden Modifizierung der DNA-Schadensantwort. i: Die Statinvorbehandlung der Mäuse hatte keinen Einfluss auf die Bildung von initialen IR-induzierten DNA-Doppelstrangbrüchen (DSB) in der Leber. Die Lova-Behandlung wirkte sich jedoch auf IR-induzierte Stressantworten aus, was sich in einer Minderung der Expression von Inflammations- und Fibrosesurrogatmarkern in Leber und Darm widerspiegelte. ii: In der Lunge der Tiere wurde ein Anstieg von molekularen Inflammations- und Fibrosesurrogatmarkern detektiert, der bei Statinkobehandlung ausblieb. Zudem verhinderte die Kobehandlung mit Lova eine IR-induzierte Abnahme der Thrombozytenzahl, ohne sich auf die durch IR verringerte Leukozytenzahl im Blut auszuwirken. iii: Die Verabreichung einer hohen Dosis Doxo induzierte DSB-Formation in der Leber. Die Statinvorbehandlung reduzierte deren Menge um ca. 50 %. Dieser genoprotektive Effekt war unabhängig von der Entstehung reaktiver Sauerstoffspezies sowie einer Änderung des Doxo-Imports oder Exports. Die Expression von proinflammatorischen und profibrotischen Genen fiel besonders in der Leber und im Herzen durch die Lova-Kobehandlung geringer aus, als in der nur mit Doxo behandelten Gruppe. Zudem verringerte Lova die durch Doxo induzierte Hochregulation von für den AP1-Komplex kodierenden Genen sowie von Zellzykluskontrollfaktoren. Die Lova-Vorbehandlung führte darüber hinaus im Herzen zu einem reduzierten mRNA-Spiegel der Topoisomerasen II α und β. iv: Es konnten schwere Herz- und Leberschäden detektiert werden (gemessen an Gldh-, Gpt- sowie cTn-I-Serumkonzentrationen), die bei einer Kobehandlung mit dem Statin nicht auftraten. Die Lova-Kobehandlung verhinderte außerdem eine durch die Doxo-Behandlung verringerte Leukozytenzahl. Molekulare Marker für frühe fibrotische Ereignisse, sowie für Inflammation und Hypertrophie waren in der Leber und im Herzen nach der Doxo-Behandlung erhöht. Das Statin war auch hier in der Lage, diese toxischen Wirkungen des Anthrazyklins zu mindern. Auch die Doxo-induzierte Expression von Surrogatmarkern für Zellantworten auf oxidativen Stress wurde in der Leber abgeschwächt. In der Leber und im Herzen wiesen die mit Doxo behandelten Tiere höhere mRNA Spiegel von an Zellzykluskontrolle beteiligten Faktoren sowie von DNA-Reparatur und Fremdstoffmetabolismus assoziierten Genen auf. Am stärksten wurde die Expression von Topoisomerase II alpha - ein molekularer Marker für Zellproliferation und bedeutsame Zielstruktur von Doxo - in der Leber hochreguliert. Die Statin-Kobehandlung verhinderte all diese Doxo-induzierten Expressionsänderungen. Im Gegensatz zur Leber wurde die Top2a-mRNA Menge im Herzen durch die Doxo-Applikation reduziert. Auch hier bewirkte die Kobehandlung mit dem Statin, dass die Expression nahe dem Kontrollniveau blieb. v: Die Kobehandlung mit Lova führte zu keinem Schutz der Tumorzellen vor Doxo, sondern erhöhte sogar dessen antineoplastisches Potential.rnFazit: Die Erkenntnisse aus vorhergegangenen in vitro Versuchen konnten zum großen Teil auf die in vivo Situation im Mausmodell übertragen werden. Sie stehen im Einklang mit Ergebnissen anderer Gruppen, welche die Inhibition kleiner GTPasen mit einer geringeren, durch zytotoxische Substanzen induzierten, Inflammation und Fibrose korrelieren konnten. Eine Kobehandlung mit Lova während einer Krebstherapie erscheint somit als vielversprechende Möglichkeit Doxo- oder IR-induzierte Nebenwirkungen auf Normalgewebe zu mildern.

The mechanism of action of a novel benzo[c]phenanthridine alkaloid, NK314 and the cellular responses

NK314 is a novel synthetic benzo[c]phenanthridine alkaloid that is currently in clinical trials as an antitumor compound, based on impressive activities in preclinical models. However, its mechanism of action is unknown. The present investigations were directed at determining the mechanism of action of this agent and cellular responses to NK314. My studies demonstrated that NK314 intercalated into DNA, trapped topoisomerase IIα in its cleavage complex intermediate, and inhibited the ability of topoisomerase IIα to relax super-coiled DNA. CEM/VM1 cells, which are resistant to etoposide due to mutations in topoisomerase IIα, were cross-resistant to NK314. However, CEM/C2 cells, which are resistant to camptothecin due to mutations in topoisomerase I, retained sensitivity. This indicates topoisomerase IIα is the target of NK314 in the cells. NK314 caused phosphorylation of the histone variant, H2AX, which is considered a marker of DNA double-strand breaks. DNA double-strand breaks were also evidenced by pulsed-field gel electrophoresis and visualized as chromosomal aberrations after cells were treated with NK314 and arrested in mitosis. Cell cycle checkpoints are activated following DNA damage. NK314 induced significant G2 cell cycle arrest in several cell lines, independent of p53 status, suggesting the existence of a common mechanism of checkpoint activation. The Chk1-Cdc25C-Cdk1 G2 checkpoint pathway was activated in response to NK314, which can be abrogated by the Chk1 inhibitor UCN-01. Cell cycle checkpoint activation may be a defensive mechanism that provides time for DNA repair. DNA double-strand breaks are repaired either through ATM-mediated homologous recombination or DNA-PK-mediated non-homologous end-joining repair pathways. Clonogenic assays demonstrated a significant decrease of colony formation in both ATM deficient and DNA-PK deficient cells compared to ATM repleted and DNA-PK wild type cells respectively, indicating that both ATM and DNA-PK play important roles in the survival of the cells in response to NK314. The DNA-PK specific inhibitor NU7441 also significantly sensitized cells to NK314. In conclusion, the major mechanism of NK314 is to intercalate into DNA, trap and inhibit topoisomerase IIα, an action that leads to the generation of double-strand DNA breaks, which activate ATM and DNA-PK mediated DNA repair pathways and Chk1 mediated G2 checkpoint pathway. ^

Searching for the ideal DNA recognition code of covalent ligands

The combitiatorial approach restriction endonuclease protection selection and amplification REPSA was successfully used to determine ideal DNA interactions sites of covalent ligands. Unlike most other combinatorial methods, REPSA is based on inhibition of enzymatic cleavage by specific ligand-DNA complexes, which enables identification of binding sites of various ligands. However, the inherent nature of this technique posses a problem during selection of binding sites of covalent ligands. By modifying the technique according to the nature of the ligand, we demonstrate the flexibility of REPSA in identifying the preferred binding sites for monocovalent ligands, topoisomerase I and tallimustine, and the bicovalent ligand topoisomerase II. From among the preferred binding sites, we identified the consensus binding sequence of camptothecin induced topoisomerase I cleavage as ‘aGWT/Gc’, and tallimustine consensus sequences as ‘GTTCTA’ and ‘TTTTTTC’. We have shown for the first time that preferential binding of tallimustine occurs at sequences not previously reported. Furthermore, our data indicate that tallimustine is a novel DNA minor groove, guanine-specific alkylating agent. ^ Additionally, we have demonstrated in vivo that sequence-specific covalent DNA-binding small molecules have the ability to regulate transcription by inhibiting RNA polymerase II. Tallimustine, binding to its preferred sequences located in the 5′ untranslated region were an effective impediment for transcribing polymerase II. The ability of covalent binding small molecules to target predetermined DNA sequences located downstream of the promoter suggests a general approach for regulation of gene expression. ^

MLL is fused to CBP, a histone acetyltransferase, in therapy-related acute myeloid leukemia with a t(11;16)(q23;p13.3)

The recurring translocation t(11;16)(q23;p13.3) has been documented only in cases of acute leukemia or myelodysplasia secondary to therapy with drugs targeting DNA topoisomerase II. We show that the MLL gene is fused to the gene that codes for CBP (CREB-binding protein), the protein that binds specifically to the DNA-binding protein CREB (cAMP response element-binding protein) in this translocation. MLL is fused in-frame to a different exon of CBP in two patients producing chimeric proteins containing the AT-hooks, methyltransferase homology domain, and transcriptional repression domain of MLL fused to the CREB binding domain or to the bromodomain of CBP. Both fusion products retain the histone acetyltransferase domain of CBP and may lead to leukemia by promoting histone acetylation of genomic regions targeted by the MLL AT-hooks, leading to transcriptional deregulation via aberrant chromatin organization. CBP is the first partner gene of MLL containing well defined structural and functional motifs that provide unique insights into the potential mechanisms by which these translocations contribute to leukemogenesis.

Synergistic inhibition of human cancer cell growth by cytotoxic drugs and mixed backbone antisense oligonucleotide targeting protein kinase A

Protein kinase A type I plays a key role in neoplastic transformation, conveying mitogenic signals of different growth factors and oncogenes. Inhibition of protein kinase A type I by antisense oligonucleotides targeting its RIα regulatory subunit results in cancer cell growth inhibition in vitro and in vivo. A novel mixed backbone oligonucleotide HYB 190 and its mismatched control HYB 239 were tested on soft agar growth of several human cancer cell types. HYB 190 demonstrated a dose-dependent inhibition of colony formation in all cell lines whereas the HYB 239 at the same doses caused a modest or no growth inhibition. A noninhibitory dose of each mixed backbone oligonucleotide was used in OVCAR-3 ovarian and GEO colon cancer cells to study whether any cooperative effect may occur between the antisense and a series of cytotoxic drugs acting by different mechanisms. Treatment with HYB 190 resulted in an additive growth inhibitory effect with several cytotoxic drugs when measured by soft agar colony formation. A synergistic growth inhibition, which correlated with increased apoptosis, was observed when HYB 190 was added to cancer cells treated with taxanes, platinum-based compounds, and topoisomerase II selective drugs. This synergistic effect was also observed in breast cancer cells and was obtained with other related drugs such as docetaxel and carboplatin. Combination of HYB 190 and paclitaxel resulted in an accumulation of cells in late S-G2 phases of cell cycle and marked induction of apoptosis. A cooperative effect of HYB 190 and paclitaxel was also obtained in vivo in nude mice bearing human GEO colon cancer xenografts. These results are the first report of a cooperative growth inhibitory effect obtained in a variety of human cancer cell lines by antisense mixed backbone oligonucleotide targeting protein kinase A type I-mediated mitogenic signals and specific cytotoxic drugs.

Inhibition of Chromosomal Separation Provides Insights into Cleavage Furrow Stimulation in Cultured Epithelial Cells

While astral microtubules are believed to be primarily responsible for the stimulation of cytokinesis in Echinoderm embryos, it has been suggested that a signal emanating from the chromosomal region and mediated by the interzonal microtubules stimulates cytokinesis in cultured mammalian cells. To test this hypothesis, we examined cytokinesis in normal rat kidney cells treated with an inhibitor of topoisomerase II, (+)-1,2-bis(3,5-dioxopiperaz-inyl-1-yl)propane, which prevents the separation of sister chromatids and the formation of a spindle interzone. The majority of treated cells showed various degrees of abnormality in cytokinesis. Furrows frequently deviated from the equatorial plane, twisting daughter cells into irregular shapes. Some cells developed furrows in regions outside the equator or far away from the spindle. In addition, F-actin and myosin II accumulated at the lateral ingressing margins but did not form a continuous band along the equator as in control cells. Imaging of microinjected 5- (and 6-) carboxymtetramethylrhodamine-tubulin revealed that a unique set of microtubules projected out from the chromosomal vicinity upon anaphase onset. These microtubules emanated toward the lateral cortex, where they delineated sites of microtubule bundle formation, cortical ingression, and F-actin and myosin II accumulation. As centrosome integrity and astral microtubules appeared unperturbed by (+)-1,2-bis(3,5-dioxopiperaz-inyl-1-yl)propane treatment, the present observations cannot be easily explained by the conventional model involving astral microtubules. We suggest that in cultured epithelial cells the organization of the chromosomes dictates the organization of midzone microtubules, which in turn determines and maintains the cleavage activity.

Rad18 Is Required for DNA Repair and Checkpoint Responses in Fission Yeast

To survive damage to the genome, cells must respond by activating both DNA repair and checkpoint responses. Using genetic screens in the fission yeast Schizosaccharomyces pombe, we recently isolated new genes required for DNA damage checkpoint control. We show here that one of these strains defines a new allele of the previously described rad18 gene, rad18-74. rad18 is an essential gene, even in the absence of extrinsic DNA damage. It encodes a conserved protein related to the structural maintenance of chromosomes proteins. Point mutations in rad18 lead to defective DNA repair pathways responding to both UV-induced lesions and, as we show here, double-stranded breaks. Furthermore, rad18p is required to maintain cell cycle arrest in the presence of DNA damage, and failure of this leads to highly aberrant mitoses. A gene encoding a BRCT-containing protein, brc1, was isolated as an allele-specific high-copy suppressor of rad18-74. brc1 is required for mitotic fidelity and for cellular viability in strains with rad18 mutations but is not essential for DNA damage responses. Mutations in rad18 and brc1 are synthetically lethal with a topoisomerase II mutant (top2-191), indicating that these proteins play a role in chromatin organization. These studies show a role for chromatin organization in the maintenance or activation of responses to DNA damage.

Dynamics of Centromeres during Metaphase–Anaphase Transition in Fission Yeast: Dis1 Is Implicated in Force Balance in Metaphase Bipolar Spindle

In higher eukaryotic cells, the spindle forms along with chromosome condensation in mitotic prophase. In metaphase, chromosomes are aligned on the spindle with sister kinetochores facing toward the opposite poles. In anaphase A, sister chromatids separate from each other without spindle extension, whereas spindle elongation takes place during anaphase B. We have critically examined whether such mitotic stages also occur in a lower eukaryote, Schizosaccharomyces pombe. Using the green fluorescent protein tagging technique, early mitotic to late anaphase events were observed in living fission yeast cells. S. pombe has three phases in spindle dynamics, spindle formation (phase 1), constant spindle length (phase 2), and spindle extension (phase 3). Sister centromere separation (anaphase A) rapidly occurred at the end of phase 2. The centromere showed dynamic movements throughout phase 2 as it moved back and forth and was transiently split in two before its separation, suggesting that the centromere was positioned in a bioriented manner toward the poles at metaphase. Microtubule-associating Dis1 was required for the occurrence of constant spindle length and centromere movement in phase 2. Normal transition from phase 2 to 3 needed DNA topoisomerase II and Cut1 but not Cut14. The duration of each phase was highly dependent on temperature.

MSF (MLL septin-like fusion), a fusion partner gene of MLL, in a therapy-related acute myeloid leukemia with a t(11;17)(q23;q25)

MLL (ALL1, Htrx, HRX), which is located on chromosome band 11q23, frequently is rearranged in patients with therapy-related acute myeloid leukemia who previously were treated with DNA topoisomerase II inhibitors. In this study, we have identified a fusion partner of MLL in a 10-year-old female who developed therapy-related acute myeloid leukemia 17 months after treatment for Hodgkin’s disease. Leukemia cells of this patient had a t(11;17)(q23;q25), which involved MLL as demonstrated by Southern blot analysis. The partner gene was cloned from cDNA of the leukemia cells by use of a combination of adapter reverse transcriptase–PCR, rapid amplification of 5′ cDNA ends, and blast database analysis to identify expressed sequence tags. The full-length cDNA of 2.8 kb was found to be an additional member of the septin family, therefore it was named MSF (MLL septin-like fusion). Members of the septin family conserve the GTP binding domain, localize in the cytoplasm, and interact with cytoskeletal filaments. A major 4-kb transcript of MSF was expressed ubiquitously; a 1.7-kb transcript was found in most tissues. An additional 3-kb transcript was found only in hematopoietic tissues. By amplification with MLL exon 5 forward primer and reverse primers in MSF, the appropriately sized products were obtained. MSF is highly homologous to hCDCrel-1, which is a partner gene of MLL in leukemias with a t(11;22)(q23;q11.2). Further analysis of MSF may help to delineate the function of MLL partner genes in leukemia, particularly in therapy-related leukemia.

Etoposide induces heritable chromosomal aberrations and aneuploidy during male meiosis in the mouse

Etoposide, a topoisomerase II inhibitor widely used in cancer therapy, is suspected of inducing secondary tumors and affecting the genetic constitution of germ cells. A better understanding of the potential heritable risk of etoposide is needed to provide sound genetic counseling to cancer patients treated with this drug in their reproductive years. We used a mouse model to investigate the effects of clinical doses of etoposide on the induction of chromosomal abnormalities in spermatocytes and their transmission to zygotes by using a combination of chromosome painting and 4′,6-diamidino-2-phenylindole staining. High frequencies of chromosomal aberrations were detected in spermatocytes within 64 h after treatment when over 30% of the metaphases analyzed had structural aberrations (P < 0.01). Significant increases in the percentages of zygotic metaphases with structural aberrations were found only for matings that sampled treated pachytene (28-fold, P < 0.0001) and preleptotene spermatocytes (13-fold, P < 0.001). Etoposide induced mostly acentric fragments and deletions, types of aberrations expected to result in embryonic lethality, because they represent loss of genetic material. Chromosomal exchanges were rare. Etoposide treatment of pachytene cells induced aneuploidy in both spermatocytes (18-fold, P < 0.01) and zygotes (8-fold, P < 0.05). We know of no other report of an agent for which paternal exposure leads to an increased incidence of aneuploidy in the offspring. Thus, we found that therapeutic doses of etoposide affect primarily meiotic germ cells, producing unstable structural aberrations and aneuploidy, effects that are transmitted to the progeny. This finding suggests that individuals who undergo chemotherapy with etoposide may be at a higher risk for abnormal reproductive outcomes especially within the 2 months after chemotherapy.

Molecular cloning of a rat chromosome putative recombinogenic sequence homologous to the hepatitis B virus encapsidation signal.

Previously, we reported that a 61-bp subgenomic HBV DNA sequence (designated as 15AB, nt 1855-1915) is a hot spot for genomic recombination and that a cellular protein binding to 15AB may be the putative recombinogenic protein. In the present study, we established the existence of a 15AB-like sequence in human and rat chromosomal DNA by Southern blot analysis. The 15AB-like sequence isolated from the rat chromosome demonstrated a 80.9% identity with 5'-CCAAGCTGTGCCTTGGGTGGC-3', at 1872-1892 of the hepatitis B virus genome, thought to be the essential region for recombination. Interestingly, this 15AB-like sequence also contained the pentanucleotide motifs GCTGG and CCAGC as an inverted repeat, part of the chi known hot spot for recombination in Escherichia coli. Importantly, a portion of the 15AB-like sequence is homologous (82.1%, 23/28 bp) to break point clusters of the human promyelocytic leukemia (PML) gene, characterized by a translocation [t(15;17)], and to rearranged mouse DNA for the immunoglobulin kappa light chain. Moreover, 15AB and 15AB-like sequences have striking homologies (12/15 = 80.0% and 13/15 = 86.7%, respectively) to the consensus sequence for topoisomerase II. Our present results suggest that this 15AB-like sequence in the rat genome might be a recombinogenic candidate triggering genomic instability in carcinogenesis.