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.

Einfluss von Resveratrol auf oxidative DNA-Schäden und Mutagenese in vivo

Oxidative DNA-Basenmodifikationen, wie 7,8-Dihydro-8-oxoguanin (8-oxoG), werden endogen in allen Zellen gebildet. Die beobachtbaren Spiegel ergeben sich aus dem Gleichgewicht zwischen der Bildung durch reaktive Sauerstoffspezies (ROS), sowie der gleichzeitigen Reparatur der DNA-Schäden. Durch ihr hohes mutagenes Potential, tragen oxidative DNA-Basenmodifikationen zur spontanen Mutationsrate bei. Der Ausfall wichtiger DNA-Reparaturmechanismen führt in Ogg1(-/-)Csb(-/-)-Knockout-Mäusen zu einem Anstieg von 8 oxoG und der spontanen Mutationsrate.rnIn dieser Arbeit sollte untersucht werden, ob die basalen Spiegel an oxidativen Basenmodifikationen und die spontanen Mutationsraten in vivo durch die orale Gabe von Resveratrol moduliert werden können. Resveratrol ist ein Pflanzeninhaltsstoff (u.a. aus Rotwein) mit einer Vielzahl von Wirkungen, der bereits in zahlreichen Studien ein chemopräventives Potential gezeigt hat und antioxidativ wirkt.rnAn verschiedenen Mausgenotypen wurden zum einen eine Kurzzeit-Behandlung (7 Tage mit 100 mg/kg per Gavage) und zum anderen eine Langzeit-Behandlung (3-9 Monate mit 0,04% ad libitum) mit Resveratrol durchgeführt. Die oxidativen DNA Schäden wurden in primären Maushepatozyten mit Hilfe einer modifizierten Alkalischen Elution, mit der bakteriellen Formamidopyrimidin-DNA Glykosylase als Sonde, bestimmt. Zur Analyse der Mutationsrate wurde der BigBlue® Mutationsassay mit anschließender Sequenzierung der Mutationen verwendet.rnDie Ergebnisse zeigen, dass die Kurzzeit- und die Langzeit-Behandlung mit Resveratrol die basalen Spiegel oxidativer DNA-Basenmodifikationen senken. Die Reduktion ist jeweils wesentlich ausgeprägter in den reparaturdefizienten Ogg1(-/-)Csb(-/-)-Mäusen zu erkennen. Auch die spontane Mutationsrate wird durch eine mehrmonatige Behandlung mit Resveratrol um ungefähr 20-30% reduziert.rnAnschließende mechanistische Untersuchungen zeigten, dass dieser Schutz wahrscheinlich auf einer Induktion der antioxidativen Schutzmechanismen begründet ist. So wurde gefunden, dass primäre Hepatozyten aus mit Resveratrol behandelten Mäusen wesentlich besser gegen exogen herbeigeführten oxidativen Stress geschützt sind, als Hepatozyten von unbehandelten Tieren. Ein weiterer Hinweis ist die Hochregulation der mRNA-Spiegel von verschiedenen antioxidativen Schutzenzymen, wie Superoxiddismutase 1 / 2, Hämoxygenase 1, Glutathionperoxidase 1, nach der Gabe von Resveratrol in Mäuselebern. Außerdem sind die oxidativen Markermutationen (GC->TA-Transversionen) stärker von der Reduktion der spontanen Mutationsrate betroffen, als andere Mutationen (z.B. GC->AT-Transitionen).rnDie Ergebnisse zeigen erstmalig, dass spontane Mutationen in vivo durch Fremdstoffe in der Nahrung reduziert werden können. Im Falle von Resveratrol wird diese Reduktion wahrscheinlich durch eine Stimulation der antioxidativen Schutzmechanismen ausgelöst.rn

Molecular basis of Osteoarthritis and aspects of cellular senescence in disease

The aim of this study is to investigate on some molecular mechanisms contributing to the pathogenesis of osteoarthritis (OA) and in particular to the senescence of articular chondrocytes. It is focused on understanding molecular events downstream GSK3β inactivation or dependent on the activity of IKKα, a kinase that does not belong to the phenotype of healthy articular chondrocytes. Moreover, the potential of some nutraceuticals on scavenging ROS thus reducing oxidative stress, DNA damage, and chondrocyte senescence has been evaluated in vitro. The in vitro LiCl-mediated GSK3β inactivation resulted in increased mitochondrial ROS production, that impacted on cellular proliferation, with S-phase transient arrest, increased SA-β gal and PAS staining, cell size and granularity. ROS are also responsible for the of increased expression of two major oxidative lesions, i.e. 1) double strand breaks, tagged by γH2AX, that associates with activation of GADD45β and p21, and 2) 8-oxo-dG adducts, that associate with increased IKKα and MMP-10 expression. The pattern observed in vitro was confirmed on cartilage from OA patients. IKKa dramatically affects the intensity of the DNA damage response induced by oxidative stress (H2O2 exposure) in chondrocytes, as evidenced by silencing strategies. At early time point an higher percentage of γH2AX positive cells and more foci in IKKa-KD cells are observed, but IKKa KD cells proved to almost completely recover after 24 hours respect to their controls. Telomere attrition is also reduced in IKKaKD. Finally MSH6 and MLH1 genes are up-regulated in IKKαKD cells but not in control cells. Hydroxytyrosol and Spermidine have a great ROS scavenging capacity in vitro. Both treatments revert the H2O2 dependent increase of cell death and γH2AX-foci formation and senescence, suggesting the ability of increasing cell homeostasis. These data indicate that nutraceuticals represent a great challenge in OA management, for both therapeutical and preventive purposes.

DNA-Reparatur und Zelltod nach gentoxischem Stress in Monozyten, dendritischen Zellen und Makrophagen

Monozyten wie auch dendritische Zellen (DCs) und Makrophagen sind ein wichtiger Bestandteil des angeborenenen unspezifischen Immunsystems. Ein Kennzeichen dieser Zellen ist die Produktion von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) zur Abtötung von Pathogenen. Im Fall von chronischen Entzündungen oder Infekten kann es zu einer explosionsartigen Freisetzung freier Radikale kommen ('Oxidative Burst'). Aus vorangegangenen Untersuchungen war bekannt, dass die Expression der beiden Basen Exziosions Reparatur (BER)-Proteine XRCC1 und Ligase III während der Ausreifung humaner Monozyten zu DCs induziert wird (Briegert and Kaina, 2007). Dies lies vermuten, dass Monozyten aufgrund einer defekten BER eine hohe Sensitivität gegenüber ROS aufweisen. Um diese Hypothese zu überprüfen, wurde die Wirkung von ROS auf humane Monozyten und daraus abgeleiteten DCs und Makrophagen untersucht. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass Monozyten eine hohe Sensitivität gegenüber oxidativem Stress aufweisen, was auf eine höhere Einzelstrangbruch-Rate zurückzuführen war. Ursache hierfür ist das Fehlen der BER-Proteine XRCC1, Ligase III und PARP-1. Die fehlende Expression dieser Proteine resultierte letztendlich in Monozyten in einem Defekt der BER und DNA-Einzelstrangbruchreparatur. rnDie Proteine XRCC1, Ligase III und PARP-1 sind auch Bestandteil des Apparats des B-NHEJ ('backup-non homologous end joining'), was auf eine Beeinträchtigung der Monozyten hinsichtlich der Prozessierung von Doppelstrangbrüchen (DSBs) schließen lässt. Zur Untersuchung dieser Vermutung, wurde die Wirkung von Ionisierender Strahlung ('ionizing radiation'; IR) auf Monozyten, DCs und Makrophagen bestimmt. Monozyten zeigten eine signifikant höhere Sensitivität gegenüber IR als DCs und Makrophagen, was auf eine erhöhte DSB-Rate in den Monozyten nach IR zurückzuführen war. Expressionsanalysen und ein DNA-PK-Aktivitäts-Assay zeigten zusätzlich, dass Monozyten keine DNA-PKcs, ein bedeutender Faktor des C-NHEJ, exprimieren. Somit haben Monozyten sowohl einen Defekt im B-NHEJ als auch im C-NHEJ und sind demnach nicht in der Lage, DSBs zu reparieren.rnAuch gegenüber dem Alkylanz und Chemotherapeutikum Temozolomid bewirken die Reparaturdefekte eine hohe Sensitivität der Monozyten. Zur Therapie von Hirntumoren werden neben der Operation, die Bestrahlung und Chemotherapie mit Temozolomid angewendet. Die hohe Sensitivität von Monozyten gegenüber IR und Temozolomid könnte eine Erklärung für die starke Immunsuppression bei einer derartigen Therapie sein.rn

Untersuchung zur endogenen Bildung von oxidativen DNA-Schäden in vivo und in vitro

In dieser Arbeit sollte der Einfluss einer Überproduktion von humaner Superoxiddismutase 1 (hSOD1) auf die Spiegel der DNA-Schäden in verschiedenen Geweben von transgenen Mäusen untersucht werden. Tiere die eine Defizienz des Ogg1- und Csb- Proteins aufweisen und deshalb oxidative Purinmodifikationen nicht oder nur schwer reparieren können, akkumulieren 8-oxoG im Laufe ihres Lebens (Osterod, et al. 2001). Aus diesem Grund sind diese ein gutes Modell, um protektive Eigenschaften von Antioxidantien wie z.B. Substanzen oder Enzymen zu untersuchen. Fusser, et al. 2011 konnten beispielsweise zeigen, dass das pflanzliche Polyphenol Resveratrol die endogenen Spiegel an 8-oxoG sowie die spontanen Mutatiosraten im Lac I - Gen senken kann. Um den Einfluss von hSOD1 in vivo zu untersuchen, wurden in zwei Zuchtschritten 4 Mausgenotypen generiert, nämlich (Csb -/- Ogg1 -/- und Csb +/- Ogg1 +/- Mäuse jeweils mit ohne hSOD1 Überexpression). Diese wurden in verschiedenen Altersstufen auf die Basalspiegel an oxidativen Schäden (Einzelstrangbrüche und Fpg-sensitive Läsionen) in der Leber, der Niere und der Milz untersucht. Die Genotypen wurden zunächst charakterisiert und die hSOD1-Überexpression mittels qRT-PCR, Western Blot und Enzymaktivitätsbestimmung verifiziert. Es konnte an diesen Tieren erstmalig gezeigt werden, dass SOD die Generierung von DNA-Schäden in vivo mit zunehmendem Alter der Tiere senkt und dass deshalb Superoxid eine der reaktiven Sauerstoffspezies ist, die unter physiologischen Bedingungen für die DNA-Schäden verantwortlich ist. Außerdem kann ein möglicher toxischer Effekt der Überproduktion von SOD ausgeschlossen werden. Erhöhte Spiegel an oxidativen DNA-Schäden durch womöglich erhöhte Spiegel an H2O2 konnten in dieser Studie nicht beobachtet werden. Eine Messung der Genexpression anderer antioxidativer Enzyme wie Katalase, SOD2 und SOD3, GPX oder HO1 sind an diesem Effekt nicht beteiligt. Auch konnte kein Einfluss des redoxsensitiven Transkriptionsfaktors Nrf2 gezeigt werden. rnUm mögliche Quellen der für die oxidativ gebildeten DNA-Schäden verantwortlichen ROS zu identifizieren, wurde der Einfluss des Dopaminstoffwechsels untersucht. Während des Dopaminmetabolismus werden intrazellulär Reaktive Sauerstoffspezies (H2O2 und O2.-) gebildet und tragen sehr wahrscheinlich zur Entstehung von neurodegenerativen Erkrankungen wie Parkinson bei. In dem gängigen Parkinson-Zellkulturmodell SH-SY5Y konnte keine Erhöhung von oxidativen Schäden in nukleärer DNA nach Dopaminbehandlung nachgewiesen werden. Eine Überexpression der Dopaminmetabolisierenden Enzyme MAO-A und MAO-B zeigen bei niedrigen Dosen Dopamin eine leichte jedoch nicht signifikante Erhöhung der Fpg-sensitiven Modifikationen. Die Überproduktion des Dopamintransporters zeigte keinen Effekt nach Dopaminzugabe. Es kann geschlussfolgert werden, dass durch erhöhte MAO-A und MAO-B endogen ROS gebildet werden, die die Bildung Fpg-sensitiver Läsionen hervorrufen. Bei hohen Dosen und langer Inkubationszeit steht die Dopaminautoxidation, anschließende Neuromelaninbildung und als Konsequenz Apoptose im Vordergrund.rn

The presence of iodinated contrast agents amplifies DNA radiation damage in computed tomography

The purpose of this study was to determine the influence of iodinated contrast agents on the formation of DNA double-strand breaks in vitro in lymphocytes and to verify these results in patients undergoing diagnostic computed tomography examinations. Blood samples were irradiated in vitro in the presence of iodinated X-ray contrast agent. Controls were irradiated without contrast agent. Fourteen patients were investigated using contrast-enhanced computed tomography (CT), and 14 other patients with unenhanced CT. Blood samples were taken prior to and 5 min and 1, 2 and 24 h after the CT examination. In these blood samples the average number of γH2Ax-foci per lymphocyte was enumerated by fluorescence microscopy. Statistical differences between foci numbers developed in the presence and absence of contrast agent were tested using an independent sample t-test. In vitro foci numbers after irradiation were significantly higher when contrast agent was present during irradiation. In vivo, γH2Ax-foci levels were 58% higher in patients undergoing contrast-enhanced CT compared with those undergoing unenhanced CT. In the presence of iodinated contrast agents DNA, damage is increased and the radiation dose is not the only factor affecting the amount of DNA damage. Individual patient characteristics and biological dosimetry applications, e.g. the analysis of γH2Ax-foci, have to be considered.

Circulating DNA and myeloperoxidase indicate disease activity in patients with thrombotic microangiopathies

Thrombotic microangiopathies (TMAs) are a group of life-threatening disorders characterized by thrombocytopenia, fragmentation of erythrocytes, and ischemic organ damage. Genetic disorders, autoimmune disease, and cancer are risk factors for TMAs, but an additional, unknown trigger is needed to bring about acute disease. Recent studies suggest that DNA and histones are released during inflammation or infection and stimulate coagulation, thrombosis, thrombocytopenia, and organ damage in mice. We show that extracellular DNA and histones as well as markers of neutrophils are present in acute TMAs. Analysis of plasma from TMA patients of different clinical categories revealed elevated levels of DNA-histone complexes and myeloperoxidase (MPO) from neutrophil granules as well as S100A8/A9, a heterocomplex abundant in neutrophil cytosol. During therapy of thrombotic thrombocytopenic purpura, a subtype of TMAs often associated with severe ADAMTS13 (a disintegrin and metalloproteinase with thrombospondin type 1 motifs, member 13) deficiency, plasma DNA and MPO were inversely correlated with platelet counts, and their levels indicated amelioration or exacerbation of the disease. ADAMTS13 deficiency together with increased levels of plasma DNA and MPO were characteristic for acute thrombotic thrombocytopenic purpura. A minor infection often precedes acute TMA and extracellular DNA and histones released during the inflammatory response could provide the second hit, which precipitates acute TMA in patients with pre-existing risk factors.

Dystrophic cardiomyopathy: amplification of cellular damage by Ca2+ signalling and reactive oxygen species-generating pathways

AIMS: Cardiac myopathies are the second leading cause of death in patients with Duchenne and Becker muscular dystrophy, the two most common and severe forms of a disabling striated muscle disease. Although the genetic defect has been identified as mutations of the dystrophin gene, very little is known about the molecular and cellular events leading to progressive cardiac muscle damage. Dystrophin is a protein linking the cytoskeleton to a complex of transmembrane proteins that interact with the extracellular matrix. The fragility of the cell membrane resulting from the lack of dystrophin is thought to cause an excessive susceptibility to mechanical stress. Here, we examined cellular mechanisms linking the initial membrane damage to the dysfunction of dystrophic heart. METHODS AND RESULTS: Cardiac ventricular myocytes were enzymatically isolated from 5- to 9-month-old dystrophic mdx and wild-type (WT) mice. Cells were exposed to mechanical stress, applied as osmotic shock. Stress-induced cytosolic and mitochondrial Ca(2+) signals, production of reactive oxygen species (ROS), and mitochondrial membrane potential were monitored with confocal microscopy and fluorescent indicators. Pharmacological tools were used to scavenge ROS and to identify their possible sources. Osmotic shock triggered excessive cytosolic Ca(2+) signals, often lasting for several minutes, in 82% of mdx cells. In contrast, only 47% of the WT cardiomyocytes responded with transient and moderate intracellular Ca(2+) signals. On average, the reaction was 6-fold larger in mdx cells. Removal of extracellular Ca(2+) abolished these responses, implicating Ca(2+) influx as a trigger for abnormal Ca(2+) signalling. Our further experiments revealed that osmotic stress in mdx cells produced an increase in ROS production and mitochondrial Ca(2+) overload. The latter was followed by collapse of the mitochondrial membrane potential, an early sign of cell death. CONCLUSION: Overall, our findings reveal that excessive intracellular Ca(2+) signals and ROS generation link the initial sarcolemmal injury to mitochondrial dysfunctions. The latter possibly contribute to the loss of functional cardiac myocytes and heart failure in dystrophy. Understanding the sequence of events of dystrophic cell damage and the deleterious amplification systems involved, including several positive feed-back loops, may allow for a rational development of novel therapeutic strategies.

The nuclear factor-kappaB and p53 pathways function independently in primary cells and transformed fibroblasts responding to genotoxic damage

With nuclear factor-kappaB (NF-kappaB) and p53 functions generally having disparate outcomes for cell survival and cell division, understanding how these pathways are coordinated following a common activation signal such as DNA damage has important implications for cancer therapy. Conflicting reports concerning NF-kappaB and p53 interplay in different cell line models prompted a reexamination of this issue using mouse primary thymocytes and embryonic fibroblasts, plus fibroblasts transformed by E1A12S. Here, we report that following the treatment of these cells with a range of stress stimuli, p53 and NF-kappaB were found to regulate cell cycling and survival independently.

ATG5 is induced by DNA-damaging agents and promotes mitotic catastrophe independent of autophagy

Anticancer drug therapy activates both molecular cell death and autophagy pathways. Here we show that even sublethal concentrations of DNA-damaging drugs, such as etoposide and cisplatin, induce the expression of autophagy-related protein 5 (ATG5), which is both necessary and sufficient for the subsequent induction of mitotic catastrophe. We demonstrate that ATG5 translocates to the nucleus, where it physically interacts with survivin in response to DNA-damaging agents both in vitro and in carcinoma tissues obtained from patients who had undergone radiotherapy and/or chemotherapy. As a consequence, elements of the chromosomal passenger complex are displaced during mitosis, resulting in chromosome misalignment and segregation defects. Pharmacological inhibition of autophagy does not prevent ATG5-dependent mitotic catastrophe, but shifts the balance to an early caspase-dependent cell death. Our data suggest a dual role for ATG5 in response to drug-induced DNA damage, where it acts in two signalling pathways in two distinct cellular compartments, the cytosol and the nucleus.

ATM Signaling to TSC2: Mechanisms and Implications for Cancer Therapy

Ataxia telangiectasia mutated (ATM) is a critical component of the cellular response to DNA damage, where it acts as a damage sensor, and signals to a large network of proteins which execute the important tasks involved in responding to the damage, namely inducing cell cycle checkpoints, inducing DNA repair, modulating transcriptional responses, and regulating cell death pathways if the damage cannot be repaired faithfully. We have now discovered that an additional novel component of this ATM-dependent damage response involves induction of autophagy in response to oxidative stress. In contrast to DNA damage-induced ATM activation however, oxidative stress induced ATM, occurs in the cytoplasm, and does not require nuclear-to-cytoplasmic shuttling of ATM. Using several cell culture systems including MCF7 breast carcinoma cells, SKOV3 ovarian cancer cells, and various lineages of mouse embryonic fibroblasts, we showed that once activated by reactive oxygen species (ROS), ATM signals to mTORC1 to induce autophagy via the LKB1-AMPK-TSC2 pathway. Targeting dysregulation of mTORC1 in Atm-deficient mice, which succumb to lymphomagenesis within 3-4 months of age with daily administration of rapamycin, could significantly extend survival and cause regression of tumors, suggesting that pharmacologically targeting this pathway has therapeutic implications in cancer. We also identified a second contrasting pathway for DNA damage-induced mTORC1 repression which does not require AMPK activation, but does require ATM and TSC2. Several potential mechanisms including mTOR localization and p53-mediated pathways were ruled out however we identified that TSC2 may be an additional cytoplasmic direct ATM substrate that is engaged in response to DNA damage specifically. Lastly, a study was performed to examine whether autophagy induced by ovarian cancer therapeutics (focusing on cisplatin, since paclitaxel does not induce autophagy in the SKOV3 cell line model we used) plays a role in resistance to therapy since autophagy can play both pro-survival mechanisms or be a mechanism of cell death. Using a genetic approach to knock-down Atg5 expression with shRNA in SKOV3 ovarian carcinoma cells, we compared the cytotoxicity of cisplatin in vector or Atg5 knock-down cells, and demonstrated that autophagy does not play any significant role in the response to cisplatin in this cell line.

DNA hypomethylation and oxidative stress-mediated increase in genomic instability in equine sarcoid-derived fibroblasts

It is widely accepted that equine sarcoid disease, the most common skin associated neoplasm in equids, is induced by bovine papillomavirus (BPV-1). Although BPV-1 DNA has been found in almost all examined sarcoids so far, its detailed impact on the horse's host cell metabolism is largely unknown. We used equine fibroblast cell lines originating from sarcoid biopsies to study BPV-1-associated changes on DNA methylation status and oxidative stress parameters. Sarcoid-derived fibroblasts manifested increased proliferation in vitro, transcriptional rDNA activity (NORs expression) and DNA hypomethylation compared to control cells. Cells isolated from equine sarcoids suffered from oxidative stress: the expression of antioxidant enzymes was decreased and the superoxide production was increased. Moreover, increased ploidy, oxidative DNA damage and micronuclei formation was monitored in sarcoid cells. We postulate that both altered DNA methylation status and redox milieu may affect genomic stability in BPV-1-infected cells and in turn contribute to sarcoid pathology.

REV7 counteracts DNA double-strand break resection and affects PARP inhibition

Error-free repair of DNA double-strand breaks (DSBs) is achieved by homologous recombination (HR), and BRCA1 is an important factor for this repair pathway. In the absence of BRCA1-mediated HR, the administration of PARP inhibitors induces synthetic lethality of tumour cells of patients with breast or ovarian cancers. Despite the benefit of this tailored therapy, drug resistance can occur by HR restoration. Genetic reversion of BRCA1-inactivating mutations can be the underlying mechanism of drug resistance, but this does not explain resistance in all cases. In particular, little is known about BRCA1-independent restoration of HR. Here we show that loss of REV7 (also known as MAD2L2) in mouse and human cell lines re-establishes CTIP-dependent end resection of DSBs in BRCA1-deficient cells, leading to HR restoration and PARP inhibitor resistance, which is reversed by ATM kinase inhibition. REV7 is recruited to DSBs in a manner dependent on the H2AX-MDC1-RNF8-RNF168-53BP1 chromatin pathway, and seems to block HR and promote end joining in addition to its regulatory role in DNA damage tolerance. Finally, we establish that REV7 blocks DSB resection to promote non-homologous end-joining during immunoglobulin class switch recombination. Our results reveal an unexpected crucial function of REV7 downstream of 53BP1 in coordinating pathological DSB repair pathway choices in BRCA1-deficient cells.

Intravenous Iodinated Contrast Agents Amplify DNA Radiation Damage at CT

PURPOSE To determine the effect of the use of iodinated contrast agents on the formation of DNA double-strand breaks during chest computed tomography (CT). MATERIALS AND METHODS This study was approved by the institutional review board, and written informed consent was obtained from all patients. This single-center study was performed at a university hospital. A total of 179 patients underwent contrast material-enhanced CT, and 66 patients underwent unenhanced CT. Blood samples were taken from these patients prior to and immediately after CT. In these blood samples, the average number of phosphorylated histone H2AX (γH2AX) foci per lymphocyte was determined with fluorescence microscopy. Significant differences between the number of foci that developed in both the presence and the absence of the contrast agent were tested by using an independent sample t test. RESULTS γH2AX foci levels were increased in both groups after CT. Patients who underwent contrast-enhanced CT had an increased amount of DNA radiation damage (mean increase ± standard error of the mean, 0.056 foci per cell ± 0.009). This increase was 107% ± 19 higher than that in patients who underwent unenhanced CT (mean increase, 0.027 foci per cell ± 0.014). CONCLUSION The application of iodinated contrast agents during diagnostic x-ray procedures, such as chest CT, leads to a clear increase in the level of radiation-induced DNA damage as assessed with γH2AX foci formation.

Mechanism of damage sensing and cell killing following the inhibition of nucleotide excision repair by fludarabine in quiescent cells

Inhibition of DNA repair by the nucleoside of fludarabine (F-ara-A) induces toxicity in quiescent human cells. The sensing and signaling mechanisms following DNA repair inhibition by F-ara-A are unknown. The central hypothesis of this project was that the mechanistic interaction of a DNA repair initiating agent and a nucleoside analog initiates an apoptotic signal in quiescent cells. The purpose of this research was to identify the sensing and signaling mechanism(s) that respond to DNA repair inhibition by F-ara-A. Lymphocytes were treated with F-ara-A, to accumulate the active triphosphate metabolite and subsequently DNA repair was activated by UV irradiation. Pre-incubation of lymphocytes with 3 μM F-ara-A inhibited DNA repair initiated by 2 J/m2 UV and induced greater than additive apoptosis after 24 h. Blocking the incorporation of F-ara-A nucleotide into repairing DNA using 30 μM aphidicolin considerably lowered the apoptotic response. ^ Wild-type quiescent cells showed a significant loss in viability than did cells lacking functional sensor kinase DNA-PKcs or p53 as measured by colony formation assays. The functional status of ATM did not appear to affect the apoptotic outcome. Immunoprecipitation studies showed an interaction between the catalytic sub-unit of DNA-PK and p53 following DNA repair inhibition. Confocal fluorescence microscopy studies have indicated the localization pattern of p53, DNA-PK and γ-H2AX in the nucleus following DNA damage. Foci formation by γ-H2AX was seen as an early event that is followed by interaction with DNA-PKcs. p53 serine-15 phosphorylation and accumulation were detected 2 h after treatment. Fas/Fas ligand expression increased significantly after repair inhibition and was dependent on the functional status of p53. Blocking the interaction between Fas and Fas ligand by neutralizing antibodies significantly rescued the apoptotic fraction of cells. ^ Collectively, these results suggest that incorporation of the nucleoside analog into repair patches is critical for cytotoxicity and that the DNA damage, while being sensed by DNA-PK, may induce apoptosis by a p53-mediated signaling mechanism. Based on the results, a model is proposed for the sensing of F-ara-A-induced DNA damage that includes γ-H2AX, DNA-PKcs, and p53. Targeting the cellular DNA repair mechanism can be a potential means of producing cytotoxicity in a quiescent population of neoplastic cells. These results also provide mechanistic support for the success of nucleoside analogs with cyclophosphamide or other agents that initiate excision repair processes, in the clinic. ^