Modulation der Strahlen- und Chemosensitivität menschlicher Tumorzellen durch Interferon

Pankreaskarzinome und maligne Melanome weisen eine hohe Resistenz gegenüber Zytostatika und Bestrahlung in der Therapie auf. Die Behandlung eines metastasierenden Pankreaskarzinoms besteht aus einer Kombination aus 5-FU, CDDP und IR. Für die Behandlung des malignen Melanoms ist das methylierende Agenz DTIC das Mittel erster Wahl. Das ebenfalls methylierende Agenz TMZ, welches jedoch in Deutschland noch nicht für die Behandlung von malignen Melanomen zugelassen ist, erlangt immer größere Bedeutung. Die Ansprechrate der Tumore kann durch Kombination mit IFNs erhöht werden. In der vorliegenden Arbeit wurde an Pankreaskarzinom- bzw. Melanomzelllinien untersucht, ob IFNs einen radio- bzw. chemosensibilisierender Effekt ausüben und, wenn ja, welcher Mechanismus hierfür verantwortlich ist. Es wurden zehn Pankreaskarzinom-Zelllinien (Panc-1, Su8686, Capan-1, Capan-2, Bxpc-3, PA-TU 8988T, Aspc-1, HS 766T, Mia-PaCa-2 und PA-TU 8902) untersucht. Diese zeigten eine hohe Variabilität in ihrer intrinsischen Radiosensitivität sowie in ihrer Sensitivität gegenüber IFN-alpha und IFN-beta. IFN-beta erwies sich als toxischer im Vergleich zu IFN-alpha. Die radiosensibilisierende Wirkung der IFNs an Pankreaskarzinom-Zelllinien war moderat, wobei IFN-beta im Vergleich zu IFN-alpha effektiver war. Der radiosensibilisierende Effekt ging mit einer deutlichen Erhöhung der alpha-Komponente, der Überlebenskurven einher und kam durch eine IFN-beta vermittelte Verstärkung der IR-induzierten Apoptoserate zustande. Dies wurde sowohl durch SubG1 als auch durch Annexin V / PI Messungen gezeigt. Einen Einfluss von IFN-beta auf den Zellzyklus und die DSB-Reparatur konnte durch funktionelle Untersuchungen sowie durch PCR bzw. Western-Blot-Analysen als Grund für den sensibilisierdenen Effekt ausgeschlossen werden. Ein sensibilisierender Effekt von IFN-beta auf die durch TMZ-induzierte Zytotoxizität war für die Pankreaskarzinom-Zelllinien weder in MGMT-profizientem noch –depletiertem Zustand zu beobachten. Zur Untersuchung der sensibilisierenden Eigenschaften von IFNs gegenüber TMZ in malignen Melanomzelllinien wurden p53-Wildtyp (D05 und A375) und mutierte Zelllinien (D14 und RPMI 7951) untersucht. Gegenüber alleiniger TMZ-Behandlung reagierten die untersuchten p53-Wildtyp Melanomzelllinien nicht sensitiver auf eine Behandlung mit TMZ als p53-mutierte Zelllinien. Der Nachweis des Spaltprodukts der Caspase-9 lieferte einen Hinweis darauf, dass in den Melanomzelllinien unabhängig vom p53-Status nach alleiniger TMZ-Behandlung der mitochondriale Apoptoseweg aktiviert wird. Durch eine Vorbehandlung der Zellen mit IFN-alpha oder IFN-beta konnte die TMZ-induzierte Apoptoserate in malignen Melanomzellen deutlich gesteigert werden. In p53-Wildtyp Melanomzellen war der chemosensibilisierende Effekt der IFNs besonders ausgeprägt. IFN-beta erwies sich hierbei als effektiver, weshalb es für die folgenden Versuche verwendet wurde. Durch stabile Transfektion der Zelllinie D05 mit MGMT konnte das durch TMZ-induzierte Addukt O6MeG als für den sensibilisieredenen Effekt ausschlaggebende DNA-Schädigung charakterisiert werden. Western-Blot-Analysen und gamma-H2AX-Immunfluoreszenz Untersuchungen konnten einen Einfluss von IFN-beta auf die Prozessierung der Läsion O6MeG sowie einen Einfluss von IFN-beta auf die Induktion und Reparatur von TMZ verursachten DSBs ausschließen. Durch Experimente mit einem Fas-aktivierenden Antikörper und durch eine stabile Transfektion der Zelllinien D05 und A375 mit DN-FADD konnte gezeigt werden, dass p53-Wildtyp Melanomzellen nicht oder nur eingeschränkt in der Lage sind, nach TMZ-Behandlung über den Fas-Rezeptor Signalweg Apoptose zu induzieren. Ausschlaggebend hierfür ist die geringe Pro-Caspase-8 Expression dieser Zelllinien. Eine IFN-beta Vorbehandlung bewirkte eine Reaktivierung des Fas-Rezeptor Signalweges, was mit einer verstärkten Expression der Pro-Caspase-8 einherging. Durch Experimente mit Caspase-8 siRNA konnte diese IFN-beta induzierte Verstärkung der Pro-Caspase-8 Expression als entscheidender Faktor für den sensibilisierenden Effekt ausgemacht werden. Zum ersten Mal konnte damit in dieser Arbeit gezeigt werden, dass p53-Wildtyp Melanomzellen durch eine IFN-beta vermittelte Hochregulation der Pro-Caspase-8 ihre Fähigkeit wiedererlangen, nach TMZ-Behandlung über den Fas-Rezeptor Signalweg Apoptose auszulösen. Diese Arbeiten weisen einen Weg, auf welchem die hohe Resistenz von malignen Melanomzellen, welche zu 80 % das nicht mutierte p53 Gen beherbergen, über eine IFN-beta induzierte Reaktivierung der Fas-Rezeptor vermittelten Apoptosekaskade überwunden werden kann.

Effects of metal-induced oxidative stress on endothelial cells in vitro

Aseptic loosening of metal implants is mainly attributed to the formation of metal degradation products. These include particulate debris and corrosion products, such as metal ions (anodic half-reaction) and ROS (cathodic half-reaction). While numerous clinical studies describe various adverse effects of metal degradation products, detailed knowledge of metal-induced cellular reactions, which might be important for possible therapeutic intervention, is not comprehensive. Since endothelial cells are involved in inflammation and angiogenesis, two processes which are critical for wound healing and integration of metal implants, the effects of different metal alloys and their degradation products on these cells were investigated. Endothelial cells on Ti6Al4V alloy showed signs of oxidative stress, which was similar to the response of endothelial cells to cathodic partial reaction of corrosion induced directly on Ti6Al4V surfaces. Furthermore, oxidative stress on Ti6Al4V alloy reduced the pro-inflammatory stimulation of endothelial cells by TNF-α and LPS. Oxidative stress and other stress-related responses were observed in endothelial cells in contact with Co28Cr6Mo alloy. Importantly, these features could be reduced by coating Co28Cr6Mo with a TiO2 layer, thus favouring the use of such surface modification in the development of medical devices for orthopaedic surgery. The reaction of endothelial cells to Co28Cr6Mo alloy was partially similar to the effects exerted by Co2+, which is known to be released from metal implants. Co2+ also induced ROS formation and DNA damage in endothelial cells. This correlated with p53 and p21 up-regulation, indicating the possibility of cell cycle arrest. Since CoCl2 is used as an hypoxia-mimicking agent, HIF-1α-dependence of cellular responses to Co2+ was studied in comparison to anoxia-induced effects. Although important HIF-1α-dependent genes were identified, a more detailed analysis of microarray data will be required to provide additional information about the mechanisms of Co2+ action. All these reactions of endothelial cells to metal degradation products might play their role in the complex processes taking place in the body following metal device implantation. In the worst case this can lead to aseptic loosening of the implant and requirement for revision surgery. Knowledge of molecular mechanisms of metal-induced responses will hopefully provide the possibility to interfere with undesirable processes at the implant/tissue interface, thus extending the life-time of the implant and the overall success of metal implant applications.

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

Untersuchung der DNA-Reparatur in humanen Lymphozyten

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

Untersuchung der Rolle reaktiver Sauerstoffspezies und DNA-Schäden bei Hypertonie und Arteriosklerose

Angiotensin II induziert intrazellulär die Bildung reaktiver Sauerstoffspezies, welche DNA-Schäden erzeugen können. Um die Hypothese zu prüfen, dass durch Angiotensin II induzierte DNA-Schäden für die erhöhte Krebsinzidenz hypertensiver Menschen verantwortlich sind, wurde eine vierwöchige Behandlung von Mäusen mit Angiotensin II (0,6 μg/kg/min) durchgeführt. Mit der Alkalischen Elution wurden in Zellen aus verschiedenen Organen der Mäuse die Menge an DNA-Einzelstrangbrüchen und oxidativen DNA-Modifikationen bestimmt. In der Niere wurde außerdem mit dem BigBlue® Mutations-Assay die Entstehung von Mutationen analysiert. In keinem der analysierten Organe konnte eine Erhöhung der DNA-Schäden oder eine Erhöhung der Mutationsfrequenzen durch die Angiotensin II-Behandlung nachgewiesen werden. Die durchgeführten Untersuchungen geben somit keinen Hinweis auf eine DNA-schädigende und mutagene Wirkung von Angiotensin II.rnBei der Entstehung und dem Krankheitsverlauf von Arteriosklerose spielen reaktive Sauerstoffspezies ebenfalls eine noch nicht genau geklärte Rolle. Um zu ermitteln, ob oxidative DNA-Schäden die Entstehung der Arteriosklerose begünstigen, wurde die Endothelfunktion von Wildtyp- und reparaturdefizienten Ogg1-/--Mäusen verglichen. Entgegen der Vermutung, dass oxidative DNA-Modifikationen die Endothelfunktion verschlechtern, zeigen die Untersuchungen, dass Ogg1-/--Mäuse, die höhere Spiegel an oxidativen DNA-Modifikationen in ihrem Genom haben, eine signifikant bessere Endothelfunktion besitzen als Wildtyptiere. Dieser Befund weist auf eine neuartige, von der DNA-Reparatur unabhängige Funktion von OGG1 hin.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

Prenatal Exposure to Testosterone Impairs Oxidative Damage Repair Efficiency in the Domestic Chicken (Gallus Gallus)

Elevated levels of maternal androgens in avian eggs affect numerous traits, including oxidative stress. However, current studies disagree as to whether prenatal androgen exposure enhances or ameliorates oxidative stress. Here, we tested how prenatal testosterone exposure affects oxidative stress in female domestic chickens (Gallus gallus) during the known oxidative challenge of an acute stressor. Prior to incubation, eggs were either injected with an oil vehicle or 5 ng testosterone. At either 17 or 18 days post-hatch, several oxidative stress markers were assessed from blood taken before and after a 20 min acute stressor, as well as following a 25 min recovery from the stressor. We found that, regardless of yolk treatment, during both stress and recovery all individuals were in a state of oxidative stress, with elevated levels of oxidative damage markers accompanied by a reduced total antioxidant capacity. In addition, testosterone-exposed individuals exhibited poorer DNA damage repair efficiencies in comparison with control individuals. Our work suggests that while yolk androgens do not alter oxidative stress directly, they may impair mechanisms of oxidative damage repair.

Identification of the p53 family-responsive element in the promoter region of the tumor suppressor gene hypermethylated in cancer 1

The tumor suppressor gene hypermethylated in cancer 1 (HIC1), located on human chromosome 17p13.3, is frequently silenced in cancer by epigenetic mechanisms. Hypermethylated in cancer 1 belongs to the bric à brac/poxviruses and zinc-finger family of transcription factors and acts by repressing target gene expression. It has been shown that enforced p53 expression leads to increased HIC1 mRNA, and recent data suggest that p53 and Hic1 cooperate in tumorigenesis. In order to elucidate the regulation of HIC1 expression, we have analysed the HIC1 promoter region for p53-dependent induction of gene expression. Using progressively truncated luciferase reporter gene constructs, we have identified a p53-responsive element (PRE) 500 bp upstream of the TATA-box containing promoter P0 of HIC1, which is sequence specifically bound by p53 in vitro as assessed by electrophoretic mobility shift assays. We demonstrate that this HIC1 p53-responsive element (HIC1.PRE) is necessary and sufficient to mediate induction of transcription by p53. This result is supported by the observation that abolishing endogenous wild-type p53 function prevents HIC1 mRNA induction in response to UV-induced DNA damage. Other members of the p53 family, notably TAp73beta and DeltaNp63alpha, can also act through this HIC1.PRE to induce transcription of HIC1, and finally, hypermethylation of the HIC1 promoter attenuates inducibility by p53.

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.

Direct combination of nanoparticle fabrication and exposure to lung cell cultures in a closed setup as a method to simulate accidental nanoparticle exposure of humans

The tremendous application potential of nanosized materials stays in sharp contrast to a growing number of critical reports of their potential toxicity. Applications of in vitro methods to assess nanoparticles are severely limited through difficulties in exposing cells of the respiratory tract directly to airborne engineered nanoparticles. We present a completely new approach to expose lung cells to particles generated in situ by flame spray synthesis. Cerium oxide nanoparticles from a single run were produced and simultaneously exposed to the surface of cultured lung cells inside a glovebox. Separately collected samples were used to measure hydrodynamic particle size distribution, shape, and agglomerate morphology. Cell viability was not impaired by the conditions of the glovebox exposure. The tightness of the lung cell monolayer, the mean total lamellar body volume, and the generation of oxidative DNA damage revealed a dose-dependent cellular response to the airborne engineered nanoparticles. The direct combination of production and exposure allows studying particle toxicity in a simple and reproducible way under environmental conditions.

DOUBLE-STRAND BREAK REPAIR PATHWAYS IN DNA STRUCTURE-INDUCED GENETIC INSTABILITY

Genetic instability in mammalian cells can occur by many different mechanisms. In the absence of exogenous sources of DNA damage, the DNA structure itself has been implicated in genetic instability. When the canonical B-DNA helix is naturally altered to form a non-canonical DNA structure such as a Z-DNA or H-DNA, this can lead to genetic instability in the form of DNA double-strand breaks (DSBs) (1, 2). Our laboratory found that the stability of these non-B DNA structures was different in mammals versus Escherichia coli (E.coli) bacteria (1, 2). One explanation for the difference between these species may be a result of how DSBs are repaired within each species. Non-homologous end-joining (NHEJ) is primed to repair DSBs in mammalian cells, while bacteria that lack NHEJ (such as E.coli), utilize homologous recombination (HR) to repair DSBs. To investigate the role of the error-prone NHEJ repair pathway in DNA structure-induced genetic instability, E.coli cells were modified to express genes to allow for a functional NHEJ system under different HR backgrounds. The Mycobacterium tuberculosis NHEJ sufficient system is composed of Ku and Ligase D (LigD) (3). These inducible NHEJ components were expressed individually and together in E.coli cells, with or without functional HR (RecA/RecB), and the Z-DNA and H-DNA-induced mutations were characterized. The Z-DNA structure gave rise to higher mutation frequencies compared to the controls, regardless of the DSB repair pathway(s) available; however, the type of mutants produced after repair was greatly dictated on the available DSB repair system, indicated by the shift from 2% large-scale deletions in the total mutant population to 24% large-scale deletions when NHEJ was present (4). This suggests that NHEJ has a role in the large deletions induced by Z-DNA-forming sequences. H-DNA structure, however, did not exhibit an increase in mutagenesis in the newly engineered E.coli environment, suggesting the involvement of other factors in regulating H-DNA formation/stability in bacterial cells. Accurate repair by established DNA DSB repair pathways is essential to maintain the stability of eukaryotic and prokaryotic genomes and our results suggest that an error-prone NHEJ pathway was involved in non-B DNA structure-induced mutagenesis in both prokaryotes and eukaryotes.

COP 9 SIGNALOSOME SUBUNIT 6 STABILIZES COP1, A NOVEL E3 UBIQUITIN LIGASE FOR 14-3-3σ

14-3-3σ, a gene upregulated by p53 in response to DNA damage, exists as part of a positive-feedback loop which activates p53 and is a human cancer epithelial marker downregulated in various cancer types. 14-3-3σ levels are critical for maintaining p53 activity in response to DNA damage and regulating signal mediator such as Akt. Here, we identify Mammalian Constitutive Photomorphogenic 1 (COP1) as a novel E3 ubiquitin ligase for targeting 14-3-3σ through proteasome degradation. We show for the first time that COP9 signalosome subunit 6 (CSN6) associates with COP1 and is involved in 14-3-3σ ubiquitin-mediated degradation. Mechanistic studies show that CSN6 expression leads to stabilization of COP1 through reducing COP1 self-ubiquitination and decelerating COP1’s turnover rate. We also show that CSN6-mediated 14-3-3σ ubiquitination is compromised when COP1 is knocked down. Thus, CSN6 mediates 14-3-3σ ubiquitination through enhancing COP1 stability. Subsequently, we show that CSN6 causes 14-3-3σ downregulation, thereby activating Akt and promoting cell survival by suppressing FOXO, an Akt target, transcriptional activity. Also, CSN6 overexpression leads to increased cell growth, transformation and promotes tumorigenicity. Significantly, 14-3-3σ expression can correct the abnormalities mediated by CSN6 expression. These data suggest that the CSN6-COP1 axis is involved in 14-3-3σ degradation, and that deregulation of this axis will promote cell growth and tumorigenicity.

Loss of DNA polymerase zeta enhances spontaneous tumorigenesis.

Mammalian genomes encode at least 15 distinct DNA polymerases, functioning as specialists in DNA replication, DNA repair, recombination, or bypass of DNA damage. Although the DNA polymerase zeta (polzeta) catalytic subunit REV3L is important in defense against genotoxins, little is known of its biological function. This is because REV3L is essential during embryogenesis, unlike other translesion DNA polymerases. Outstanding questions include whether any adult cells are viable in the absence of polzeta and whether polzeta status influences tumorigenesis. REV3L-deficient cells have properties that could influence the development of neoplasia in opposing ways: markedly reduced damage-induced point mutagenesis and extensive chromosome instability. To answer these questions, Rev3L was conditionally deleted from tissues of adult mice using MMTV-Cre. Loss of REV3L was tolerated in epithelial tissues but not in the hematopoietic lineage. Thymic lymphomas in Tp53(-/-) Rev3L conditional mice occurred with decreased latency and higher incidence. The lymphomas were populated predominantly by Rev3L-null T cells, showing that loss of Rev3L can promote tumorigenesis. Remarkably, the tumors were frequently oligoclonal, consistent with accelerated genetic changes in the absence of Rev3L. Mammary tumors could also arise from Rev3L-deleted cells in both Tp53(+/+) and Tp53(+/-) backgrounds. Mammary tumors in Tp53(+/-) mice deleting Rev3L formed months earlier than mammary tumors in Tp53(+/-) control mice. Prominent preneoplastic changes in glandular tissue adjacent to these tumors occurred only in mice deleting Rev3L and were associated with increased tumor multiplicity. Polzeta is the only specialized DNA polymerase yet identified that inhibits spontaneous tumor development.

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.

FUNCTION OF ZNF668 IN CANCER DEVELOPMENT

Human cancer develops as a result of accumulation of mutations in oncogenes and tumor suppressor genes. Zinc finger protein 668 (ZNF668) has recently been identified and validated as one of the highly mutated genes in breast cancer, but its function is entirely unknown. Here, we report two major functions of ZNF668 in cancer development. (1) ZNF668 functions as a tumor suppressor by regulating p53 protein stability and function. We demonstrate that ZNF668 is a nucleolar protein that physically interacts with both MDM2 and p53. By binding to MDM2, ZNF668 regulates MDM2 autoubiquitination and prevents MDM2-mediated p53 ubiquitination and degradation; ZNF668 deficiency impairs DNA damage-induced p53 stabilization. Notably, ZNF668 effectively suppresses breast cancer cell proliferation and transformation in vitro and tumorigenicity in vivo. Consistently, ZNF668 knockdown readily transforms normal mammary epithelial cells. Together, our studies identify ZNF668 as a novel breast tumor suppressor gene that acts at least in part by regulating the stability and function of p53. (2) ZNF668 functions as a DNA repair protein by regulating histone acetylation. DNA repair proteins need to access the chromatin by chromatin modification or remodeling to use DNA template within chromatin. Dynamic posttranslational modifications of histones are critical for cells to relax chromatin in DNA repair. However, the precise underlying mechanism mediating enzymes responsible for these modifications and their recruitment to DNA lesions remains poorly understood. We observed ZNF668 depletion causes impaired chromatin relaxation as a result of impaired DNA-damage induced histone H2AX hyper-acetylation. This results in the decreased recruitment of repair proteins to DNA lesions, defective homologous recombination (HR) repair and impaired cell survival after DNA damage, albeit with the presence of a functional ATM/ATR dependent DNA-damage signaling cascade. Importantly, the impaired loading of repair proteins and the defect in DNA repair in ZNF668-deficient cells can be counteracted by chromatin relaxation, indicating that the DNA-repair defect that was observed in the absence of ZNF668 is due to impeded chromatin accessibility at sites of DNA breaks. Our findings therefore identify ZNF668 as a key molecule that links chromatin relaxation with response to DNA damage in the control of DNA repair.