Aktivierung von c-Jun-N-terminalen Kinasen (SAPK,JNK) als Teil der späten Cisplatin abhängigen DNA-Schadensantwort

Stress-aktivierte-Protein-Kinasen (c-Jun-N-terminal kinases) SAPK/JNK werden sehr schnell nach Exposition von Zellen mit verschiedensten Noxen, wie beispielsweise Genotoxinen, aktiviert. Sie sind allerdings noch nicht als Teil der DNA-Schadensantwort etabliert. In dieser Arbeit sollte gezeigt werden, das SAPK/JNK einen wichtigen Teil innerhalb der DNA-Schadensantwort spielen. Aus diesem Grund wurde zu frühen (z.B.: 4 h) als auch zu späten Zeiten (z.B.: 24 h) die Bildung von DNA-Addukten nach Cisplatin Exposition untersucht und überprüft, ob diese mit dem Aktivierungsstatus der SAPK/JNK nach Cisplatinbehandlung korreliert. Menschliche Fibroblasten, die einen Defekt in der Transkription gekoppelten Nukleotid-Exzisionsreparatur (TC-NER) aufwiesen, wie beispielsweise CSB-Zellen (Cockayne Syndrom B) oder XPA-Zellen (Xeroderma Pigmentosum A), sind charakterisiert durch einen erhöhten Phosphorylierungsstatus der SAPK/JNK, 16 h nach Cisplatingabe, im Vergleich zu normalen Wildtyp-Fibroblasten. Die nach Cisplatin Exposition beobachtete Aktivierung der SAPK/JNK ist quantitativ jedoch nicht vergleichbar mit dem Level an gebildeten Cisplatin-DNA-Addukten, wie in den Southwestern- und Massenspektrometrischen Untersuchungen gezeigt werden konnte. Es konnten jedoch Parallelen zwischen der Aktivierung der SAPK/JNK, sowie den gezeigten γ-H2AX-Foci als auch der Aktivierung von Check-Point Kinasen gefunden werden. Dies lässt darauf schließen, dass DNA-Doppelstrangbrüche (DSB) an der späten Aktivierung des SAPK/JNK Signalweges beteiligt sind. Dementsprechend lässt sich ebenfalls in Zellen, die einen Defekt in der Reparatur von Doppelstrangsbrüchen aufweisen, wie beispielsweise DNA-PKcs Zellen, eine erhöhte, durch Cisplatin hervorgerufene späte Phosphorylierung der SAPK/JNK als auch eine vermehrte γ-H2AX-Foci Bildung und Check-Point Kinasen Aktivierung nachweisen. Vergleichend dazu zeigten Zellen mit einem Defekt in ATM (Ataxia telegiectasia mutated protein) oder XPC keine erhöhte Phosphorylierung zu späten Zeiten nach Cisplatin Behandlung. Weiterhin bleibt festzuhalten, dass die späte, durch Cisplatin hervorgerufene Schadensantwort unabhängig von p53, ER-Stress oder MKP-1 ist. Die SAPK/JNK Aktivierung nach Cisplatin Exposition erfordert funktionsfähige Rho-GTPasen und kann durch pharmakologische Hemmung der Tyrosin-Kinasen und durch N-Acetylcystein gehemmt werden. Es lässt sich zusammenfassend sagen, dass die durch Cisplatin induzierte späte SAPK/JNK Aktivierung durch die Formation von DSB initiiert wird und XPC, Rho-Proteine sowie Tyrosin Kinasen an der Signalweiterleitung beteiligt sind.

Etablierung eines high content imaging-basierten in vitro Testsystems zur Evaluierung genotoxischer Substanzen

Zur Registrierung von Pharmazeutika ist eine umfassende Analyse ihres genotoxischen Potentials von Nöten. Aufgrund der Vielzahl genotoxischer Mechanismen und deren resultierenden Schäden wird ein gestaffeltes Testdesign durch die ICH-Richtlinie S2(R1) „Guidance on genotoxicity testing and data interpretation for pharmaceuticals intended for human use S2(R1)“ definiert, um alle genotoxischen Substanzen zu identifizieren. Die Standardtestbatterie ist in der frühen Phase der Arzneimittelentwicklung aufgrund des geringen Durchsatzes und des Mangels an verfügbarer Substanzmenge vermindert anwendbar. Darüber hinaus verfügen in vitro Genotoxizitätstests in Säugerzellen über eine relativ geringe Spezifität. Für eine vollständige Sicherheitsbeurteilung wird eine in vivo Testung auf Kanzerogenität benötigt. Allerdings sind diese Testsysteme kosten- und zeitintensiv. Aufgrund dessen zielen neue Forschungsansätze auf die Verbesserung der Prädiktivität und die Erfassung des genotoxischen Potentials bereits in der frühen Phase der Arzneimittelentwicklung ab. Die high content imaging (HCI)-Technologie offeriert einen Ansatz zur Verbesserung des Durchsatzes verglichen mit der Standardtestbatterie. Zusätzlich hat ein Zell-basiertes Modell den Vorteil Daten relativ schnell bei gleichzeitig geringem Bedarf an Substanzmenge zu generieren. Demzufolge ermöglichen HCI-basierte Testsysteme eine Prüfung in der frühen Phase der pharmazeutischen Arzneimittelentwicklung. Das Ziel dieser Studie ist die Entwicklung eines neuen, spezifischen und sensitiven HCI-basierten Testsytems für Genotoxine und Progenotoxine in vitro unter Verwendung von HepG2-Zellen gewesen. Aufgrund ihrer begrenzten metabolischen Kapazität wurde ein kombiniertes System bestehend aus HepG2-Zellen und einem metabolischen Aktivierungssystem zur Testung progenotoxischer Substanzen etabliert. Basierend auf einer vorherigen Genomexpressionsprofilierung (Boehme et al., 2011) und einer Literaturrecherche wurden die folgenden neun unterschiedlichen Proteine der DNA-Schadensantwort als putative Marker der Substanz-induzierten Genotoxizität ausgewählt: p-p53 (Ser15), p21, p-H2AX (Ser139), p-Chk1 (Ser345) p-ATM (Ser1981), p-ATR (Ser428), p-CDC2 (Thr14/Tyr15), GADD45A und p-Chk2 (Thr68). Die Expression bzw. Aktivierung dieser Proteine wurde 48 h nach Behandlung mit den (pro-) genotoxischen Substanzen (Cyclophosphamid, 7,12-Dimethylbenz[a]anthracen, Aflatoxin B1, 2-Acetylaminofluoren, Methylmethansulfonat, Actinomycin D, Etoposid) und den nicht-genotoxischen Substanzen (D-Mannitol, Phenforminhydrochlorid, Progesteron) unter Verwendung der HCI-Technologie ermittelt. Die beste Klassifizierung wurde bei Verwendung der folgenden fünf der ursprünglichen neun putativen Markerproteine erreicht: p-p53 (Ser15), p21, p-H2AX (Ser139), p-Chk1 (Ser345) und p-ATM (Ser1981). In einem zweiten Teil dieser Arbeit wurden die fünf ausgewählten Proteine mit Substanzen, welche von dem European Centre for the Validation of Alternative Methods (ECVAM) zur Beurteilung der Leistung neuer oder modifizierter in vitro Genotoxizitätstests empfohlen sind, getestet. Dieses neue Testsystem erzielte eine Sensitivität von 80 % und eine Spezifität von 86 %, was in einer Prädiktivität von 84 % resultierte. Der synergetische Effekt dieser fünf Proteine ermöglicht die Identifizierung von genotoxischen Substanzen, welche DNA-Schädigungen durch eine Vielzahl von unterschiedlichen Mechanismen induzieren, mit einem hohen Erfolg. Zusammenfassend konnte ein hochprädiktives Prüfungssystem mit metabolischer Aktivierung für ein breites Spektrum potenziell genotoxischer Substanzen generiert werden, welches sich aufgrund des hohen Durchsatzes, des geringen Zeitaufwandes und der geringen Menge benötigter Substanz zur Substanzpriorisierung und -selektion in der Phase der Leitstrukturoptimierung eignet und darüber hinaus mechanistische Hinweise auf die genotoxische Wirkung der Testsubstanz liefert.

Regulation von "Silent mating type information regulation 2 homolog Type" 1 (SIRT1) durch die nach DNA-Schaden induzierte Kinase "Homeodomain-interaction kinase" (HIPK2)

"Silent mating type information regulation 2 Type" 1 (SIRT1), das humane Homolog der NAD+-abhängigen Histondeacetylase Sir2 aus Hefe, besitzt Schlüsselfunktionen in der Regulation des Metabolismus, der Zellalterung und Apoptose. Letztere wird vor allem durch die Deacetylierung von p53 an Lys382 und der dadurch verringerten Transkription proapoptotischer Zielgene vermittelt. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die SIRT1 Regulation im Zusammenhang mit der DNA-Schadensantwort untersucht.rnIn der Apoptoseregulation übernimmt die Serin/Threonin-Kinase "Homeodomain interacting protein kinase" 2 (HIPK2) eine zentrale Rolle und daher wurde die SIRT1 Modifikation und Regulation durch HIPK2 betrachtet. Durch Phosphorylierung des Tumorsuppressorproteins p53 an Ser46 aktiviert HIPK2 das Zielprotein und induziert die Transkription proapoptotischer Zielgene von p53. Es wurde beschrieben, dass HIPK2 nach DNA-Schädigung über einen bisher unbekannten Mechnismus die Acetylierung von p53 potenzieren kann.rnIn der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass SIRT1 von HIPK2 in vitro und in Zellen an Serin 27 und 682 phosphoryliert wird. Weiterhin ist die Interaktion von SIRT1 mit HIPK2 sowie die SIRT1 Phosphorylierung an Serin 682 durch DNA-schädigende Adriamycinbehandlung erhöht. Es gibt Hinweise, dass HIPK2 die Expression von SIRT1 reguliert, da HIPK2 RNA-Interferenz zur Erniedrigung der SIRT1 Protein- und mRNA-Mengen führt.rnEin weiterer interessanter Aspekt liegt in der Beobachtung, dass Ko-Expression von PML-IV, welches SIRT1 sowie HIPK2 in PML-Kernkörper rekrutiert, die SIRT1 Phosphorylierung an Serin 682 verstärkt. Phosphorylierung von SIRT1 an Serin 682 interferiert wiederum mit der SUMO-1 Modifikation, welche für die Lokalisation in PML-Kernkörpen wichtig ist.rnBemerkenswerterweise reduziert die DNA-schadendsinduzierte SIRT1 Phosphorylierung die Bindung des SIRT1 Ko-Aktivators AROS, beeinflusst aber nicht diejenige des Inhibitors DBC1. Dies führt zur Reduktion der enzymatischen Aktivität von SIRT1 und der darausfolgenden weniger effizienten Deacetylierung des Zielproteins p53.rnDurch die von mir in der vorliegenden Promotionsarbeit erzielten Ergebnisse konnte ein neuer molekularer Mechanismus entschlüsselt werden, welcher die durch HIPK2 modulierte Acetylierung von p53 und die daran anschließende Induktion der Apoptose beschreibt.rnHIPK2-vermittelte SIRT1 Phosphorylierung resultiert in einer verminderten Deacetylasefunktion von SIRT1 und führt so zu einer verstärkten acetylierungsinduzierten Expression proapoptotischer p53 Zielgene.

Analysis of zinc oxide nanoparticles as a potential mutagen of respiratory epithelia

Metallische Nanopartikel und ihre Oxide (z.B. ZnO NP, TiO2 NP und Fe2O3 NP) werden aufgrund ihrer chemischen und physikalischen Eigenschaften häufig als Additive in der Reifenproduktion, in Katalysatoren, Lebensmitteln, Arzneimitteln und Kosmetikprodukten verwendet. Künftig wird ein kontinuierlicher Anstieg der industriellen Anwendung (~ 1663 Tonnen im Jahr 2025) mit gesteigerter Freisetzung in die Umwelt erwartet, was zwangsläufig zu einer vermehrten Aufnahme über das respiratorische Epithel führt. Metalldampffieber ist als gesundheitsschädigender Effekt von Metalloxid-haltigen Aerosolen (z.B. ZnO) nach Inhalation bekannt. Immunreaktionen, wie beispielsweise Entzündungen, werden häufig mit der Entstehung von Sauerstoffradikalen (ROS) in Verbindung gebracht, die wiederum zu DNA-Schäden führen können. Drei mögliche Ursachen der Genotoxität werden angenommen: direkte Interaktion von Nanopartikeln mit intrazellulären Strukturen, Interaktion von Ionen dissoziierter Partikel mit intrazellulären Strukturen sowie die Entstehung von ROS initiiert durch Partikel oder Ionen.rnDie vorliegende Studie befasst sich mit den Mechanismen der Genotoxizität von ZnO Nanopartikeln (ZnO NP), als Beispiel für metallische Nanopartikel, im respiratorischen Epithel. In der Studie wurde gezielt die intrazelluläre Aufnahme und Verteilung von ZnO NP, deren Toxizität, deren DNA schädigendes Potential sowie die Aktivierung der DNA damage response (DDR) analysiert.rnEs konnten kaum internalisierte ZnO NP mittels TEM detektiert werden. Innerhalb der ersten Sekunden nach Behandlung mit ZnO NP wurde spektrofluorometrisch ein starker Anstieg der intrazellulären Zn2+ Konzentration gemessen. In unbehandelten Zellen war Zn2+ in granulären Strukturen lokalisiert. Die Behandlung mit ZnO NP führte zu einer Akkumulation von Zn2+ in diesen Strukturen. Im zeitlichen Verlauf verlagerten sich die Zn2+-Ionen in das Zytoplasma, sowie in Zellkerne und Mitochondrien. Es wurde keine Kolokalisation von Zn2+ mit den frühen Endosomen und dem endoplasmatischen Retikulum beobachtet. Die Vorbehandlung der Zellen mit Diethylen-triaminpentaessigsäure (DTPA), als extrazellulärem Komplexbildner, verhinderte den intrazellulären Anstieg von Zn2+ nach Behandlung mit den Partikeln.rnDie Behandlung mit ZnO NP resultierte in einer zeit- und dosisabhängigen Reduktion der zellulären Viabilität, während die intrazelluläre ROS-Konzentrationen in den ersten 30 min leicht und anschließend kontinuierlich bis zum Ende der Messung anstiegen. Außerdem verringerte sich das mitochondriale Membranpotential, während sich die Anzahl der frühapoptotischen Zellen in einer zeitabhängigen Weise erhöhte. rnDNA Doppelstrangbrüche (DNA DSB) wurden mittels Immunfluoreszenz-Färbung der γH2A.X foci sichtbar gemacht und konnten nach Behandlung mit ZnO NP detektiert werden. Die Vorbehandlung mit dem Radikalfänger N-Acetyl-L-Cytein (NAC) resultierte in stark reduzierten intrazellulären ROS-Konzentrationen sowie wenigen DNA DSB. Die DNA Schädigung wurde durch Vorbehandlung mit DTPA ganz verhindert.rnDie Aktivierung der DDR wurde durch die Analyse von ATM, ATR, Chk1, Chk2, p53 und p21 mittels Western Blot und ELISA nach Behandlung mit ZnO NP überprüft. Der ATR/Chk1 Signalweg wurde durch ZnO NP nicht aktiviert. Die Komplexierung von Zn2+ resultierte in einer verminderten ATM/Chk2 Signalwegaktivierung. Es zeigte sich, dass das Abfangen von ROS keinen Effekt auf die ATM/Chk2 Signalwegaktivierung hatte.rnZusammengefasst wurde festgestellt, dass die Exposition mit ZnO NP in der Entstehung von ROS, reduzierter Viabilität und vermindertem mitochondrialem Membranpotential resultiert, sowie zeitabhängig eine frühe Apoptose initiiert. ZnO NP dissoziierten extrazellulär und wurden schnell als Zn2+ über unbekannte Mechanismen internalisiert. Die Zn2+-Ionen wurden im Zytoplasma, sowie besonders in den Mitochondrien und dem Zellkern, akkumuliert. Die DDR Signalgebung wurde durch ZnO NP aktiviert, jedoch nicht durch NAC inhibiert. Es wurde gezeigt, dass DTPA die DDR Aktivierung komplett inhibierte. Die Behandlung mit ZnO NP induzierte DNA DSB. Die Inhibition von ROS reduzierte die DNA DSB und die Komplexierung der Zn2+ verhinderte die Entstehung von DNA DSB.rnDiese Daten sprechen für die Dissoziation der Partikel und die hierbei freigesetzten Zn2+ als Hauptmediator der Genotoxizität metallischer Nanopartikel. rn

Acute transverse myelitis in Lyme neuroborreliosis

Acute transverse myelitis (ATM) is a rare disorder (1-8 new cases per million of population per year), with 20% of all cases occurring in patients younger than 18 years of age. Diagnosis requires clinical symptoms and evidence of inflammation within the spinal cord (cerebrospinal fluid and/or magnetic resonance imaging). ATM due to neuroborreliosis typically presents with impressive clinical manifestations.

Safety of diagnostic balloon occlusion in normal coronary arteries

Diagnostic coronary balloon occlusion (CBO) is mandatory for collateral function assessment, during angioscopy and optical coherence imaging, and when using certain coronary protection devices against emboli. Thus far, the safety of diagnostic CBO regarding procedural and long-term complications in normal coronary arteries has not been studied. In 316 patients, diagnostic CBO was performed for collateral function measurement in 426 angiographically normal vessels. The angioplasty balloon was inflated for 60 to 120 seconds using inflation pressures of 1 to 3 atm, followed by control angiography during and after CBO. Patients were divided into groups with entirely normal (n = 133) and partially normal (n = 183) vessels. Primary end points were procedural and long-term complications. De novo stenosis development was assessed by quantitative coronary angiography in 35% of the patients. Secondary end points were cardiac events at 5 years of follow-up. Procedural complications occurred in 1 patient (0.2%). In 150 repeat angiographic procedures in 92 patients (follow-up duration 10 +/- 15 months), quantitative coronary angiography revealed no difference in percentage diameter narrowing between baseline and follow-up (4.1% vs 3.9%, p = 0.69). During follow-up periods of 14 and 72 months, respectively, a new stenotic lesion was detected in 1 patient in each group (1.3%). Major cardiac events and percutaneous coronary intervention for stable angina were less frequent in the group with entirely normal than with partially normal vessels (0.8% vs 5.5%, p = 0.02, and 0.8% vs 18%, p <0.0001). In conclusion, low-inflation pressure diagnostic CBO in angiographically normal coronary arteries bears a minimal risk for procedural and long-term complications and can therefore be regarded as a safe procedure.

Quantification of the carbonaceous matter origin in submicron marine aerosol by 13C and 14C isotope analysis

Dual carbon isotope anal. of marine aerosol samples has been performed for the first time demonstrating a potential in org. matter apportionment between three principal sources: marine, terrestrial (non-fossil) and fossil fuel due to unique isotopic signatures. The results presented here, utilizing combinations of dual carbon isotope anal., provides conclusive evidence of a dominant biogenic org. fraction to org. aerosol over biol. active oceans. In particular, the NE Atlantic, which is also subjected to notable anthropogenic influences via pollution transport processes, was found to contain 80 % org. aerosol matter of biogenic origin directly linked to plankton emissions. The remaining carbonaceous aerosol was of terrestrial origin. By contrast, for polluted air advected out from Europe into the NE Atlantic, the source apportionment is 30 % marine biogenic, 40 % fossil fuel, and 30 % continental non-fossil fuel. The dominant marine org. aerosol source in the atm. has significant implications for climate change feedback processes. [on SciFinder(R)]

Fossil versus contemporary sources of fine elemental and organic carbonaceous particulate matter during the DAURE campaign in Northeast Spain

We present results from the international field campaign DAURE (Detn. of the sources of atm. Aerosols in Urban and Rural Environments in the Western Mediterranean), with the objective of apportioning the sources of fine carbonaceous aerosols. Submicron fine particulate matter (PM1) samples were collected during Feb.-March 2009 and July 2009 at an urban background site in Barcelona (BCN) and at a forested regional background site in Montseny (MSY). We present radiocarbon (14C) anal. for elemental and org. carbon (EC and OC) and source apportionment for these data. We combine the results with those from component anal. of aerosol mass spectrometer (AMS) measurements, and compare to levoglucosan-based ests. of biomass burning OC, source apportionment of filter data with inorg. compn. + EC + OC, submicron bulk potassium (K) concns., and gaseous acetonitrile concns. At BCN, 87 % and 91 % of the EC on av., in winter and summer, resp., had a fossil origin, whereas at MSY these fractions were 66 % and 79 %. The contribution of fossil sources to org. carbon (OC) at BCN was 40 % and 48 %, in winter and summer, resp., and 31 % and 25 % at MSY. The combination of results obtained using the 14C technique, AMS data, and the correlations between fossil OC and fossil EC imply that the fossil OC at Barcelona is ∼47 % primary whereas at MSY the fossil OC is mainly secondary (∼85 %). Day-to-day variation in total carbonaceous aerosol loading and the relative contributions of different sources predominantly depended on the meteorol. transport conditions. The estd. biogenic secondary OC at MSY only increased by ∼40 % compared to the order-of-magnitude increase obsd. for biogenic volatile org. compds. (VOCs) between winter and summer, which highlights the uncertainties in the estn. of that component. Biomass burning contributions estd. using the 14C technique ranged from similar to slightly higher than when estd. using other techniques, and the different estns. were highly or moderately correlated. Differences can be explained by the contribution of secondary org. matter (not included in the primary biomass burning source ests.), and/or by an over-estn. of the biomass burning OC contribution by the 14C technique if the estd. biomass burning EC/OC ratio used for the calcns. is too high for this region. Acetonitrile concns. correlate well with the biomass burning EC detd. by 14C. K is a noisy tracer for biomass burning. [on SciFinder(R)]

Seasonal variation and sources of low molecular weight organic acids in precipitation in the rural area of Anshun

Low mol. wt. (LMW) org. acids are important and ubiquitous chem. constituents in the atm. A comprehensive study of the chem. compn. of pptn. was carried out from June 2007 to June 2008 at a rural site in Anshun, in the west of Guizhou Province, China. During this period, 118 rainwater samples were collected and the main LMW carboxylic acids were detd. using ion chromatog. The av. pH of rainwater was 4.89 which is a typical acidic value. The most abundant carboxylic acids were formic acid (vol. wt. mean concn.: 8.77 μmol L-1) and acetic acid (6.90 μmol L-1), followed by oxalic acid (2.05 μmol L-1). The seasonal variation of concns. and wet deposition fluxes of org. acids indicated that direct vegetation emissions were the main sources of the org. acids. Highest concns. were obsd. in winter and were ascribed to the low winter rainfall and the contribution of other air pollution sources northeast of the study area. The ratio of formic and acetic acids in the pptn. ([F/A]T) was proposed as an indicator of pollution source. This suggested that the pollution resulted from direct emissions from natural or anthropogenic sources. Comparison with acid pptn. in other urban and rural areas in Guizhou showed that there was a decreasing contribution of LMW org. acids to free acidity and all anions in rainwater from urban to remote rural areas. Consequently, it is necessary to control emissions of org. acids to reduce the frequency of acid rain, esp. in rural and remote areas. [on SciFinder(R)]

Arabidopsis WEE1 kinase controls cell cycle arrest in response to activation of the DNA integrity checkpoint

Upon the incidence of DNA stress, the ataxia telangiectasia-mutated (ATM) and Rad3-related (ATR) signaling kinases activate a transient cell cycle arrest that allows cells to repair DNA before proceeding into mitosis. Although the ATM-ATR pathway is highly conserved over species, the mechanisms by which plant cells stop their cell cycle in response to the loss of genome integrity are unclear. We demonstrate that the cell cycle regulatory WEE1 kinase gene of Arabidopsis thaliana is transcriptionally activated upon the cessation of DNA replication or DNA damage in an ATR- or ATM-dependent manner, respectively. In accordance with a role for WEE1 in DNA stress signaling, WEE1-deficient plants showed no obvious cell division or endoreduplication phenotype when grown under nonstress conditions but were hypersensitive to agents that impair DNA replication. Induced WEE1 expression inhibited plant growth by arresting dividing cells in the G2-phase of the cell cycle. We conclude that the plant WEE1 gene is not rate-limiting for cycle progression under normal growth conditions but is a critical target of the ATR-ATM signaling cascades that inhibit the cell cycle upon activation of the DNA integrity checkpoints, coupling mitosis to DNA repair in cells that suffer DNA damage.

Numerical investigation of effects of addition of ethanol to gasoline on Laminar Flame Speed (LFS), autoignition, and wall quenching

Since the advent of automobiles, alcohol has been considered a possible engine fuel1,2. With the recent increased concern about the high price of crude oil due to fluctuating supply and demand and environmental issues, interest in alcohol based fuels has increased2,3. However, using pure alcohols or blends with conventional fuels in high percentages requires changes to the engine and fuel system design2. This leads to the need for a simple and accurate conventional fuels-alcohol blends combustion models that can be used in developing parametric burn rate and knock combustion models for designing more efficient Spark Ignited (SI) engines. To contribute to this understanding, numerical simulations were performed to obtain detailed characteristics of Gasoline-Ethanol blends with respect to Laminar Flame Speed (LFS), autoignition and Flame-Wall interactions. The one-dimensional premixed flame code CHEMKIN® was applied to simulate the burning velocity and autoignition characteristics using the freely propagating model and closed homogeneous reactor model respectively. Computational Fluid Dynamics (CFD) was used to obtain detailed flow, temperature, and species fields for Flame-wall interactions. A semi-detailed validated chemical kinetic model for a gasoline surrogate fuel developed by Andrae and Head4 was used for the study of LFS and Autoignition. For the quenching study, a skeletal chemical kinetic mechanism of gasoline surrogate, having 50 species and 174 reactions was used. The surrogate fuel was defined as a mixture of pure n-heptane, isooctane, and toluene. For LFS study, the ethanol volume fraction was varied from 0 to 85%, initial pressure from 4 to 8 bar, initial temperature from 300 to 900K, and dilution from 0 to 32%. Whereas for Autoignition study, the ethanol volume fraction was varied between 0 to 85%, initial pressure was varied between 20 to 60 bar, initial temperature was varied between 800 to 1200K, and the dilution was varied between 0 to 32% at equivalence ratios of 0.5, 1.0 and 1.5 to represent the in-cylinder conditions of a SI engine. For quenching study three Ethanol blends, namely E0, E25 and E85 are described in detail at an initial pressure of 8 atm and 17 atm. Initial wall temperature was taken to be 400 K. Quenching thicknesses and heat fluxes to the wall were computed. The laminar flame speed was found to increase with ethanol concentration and temperature but decrease with pressure and dilution. The autoignition time was found to increase with ethanol concentration at lower temperatures but was found to decrease marginally at higher temperatures. The autoignition time was also found to decrease with pressure and equivalence ratio but increase with dilution. The average quenching thickness was found to decrease with an increase in Ethanol concentration in the blend. Heat flux to the wall increased with increase in ethanol percentage in the blend and at higher initial pressures. Whereas the wall heat flux decreased with an increase in dilution. Unburned Hydrocarbon (UHC) and CO % was also found to decrease with ethanol concentration in the blend.

IN-SITU TEM PLASMA CHIP NANOFABRICATION AND CHARACTERIZATION

A silicon-based microcell was fabricated with the potential for use in in-situ transmission electron microscopy (TEM) of materials under plasma processing. The microcell consisted of 50 nm-thick film of silicon nitride observation window with 60μm distance between two electrodes. E-beam scattering Mont Carlo simulation showed that the silicon nitride thin film would have very low scattering effect on TEM primary electron beam accelerated at 200 keV. Only 4.7% of primary electrons were scattered by silicon nitride thin film and the Ar gas (60 μm thick at 1 atm pressure) filling the space between silicon nitride films. Theoretical calculation also showed low absorption of high-energy e-beam electrons. Because the plasma cell needs to survive the high vacuum TEM chamber while holding 1 atm internal pressure, a finite element analysis was performed to find the maximum stress the low-stress silicon nitride thin film experienced under pressure. Considering the maximum burst stress of low-stress silicon nitride thin film, the simulation results showed that the 50 nm silicon nitride thin film can be used in TEM under 1 atm pressure as the observation window. Ex-situ plasma generation experiment demonstrated that air plasma can be ignited at DC voltage of 570. A Scanning electron microscopy (SEM) analysis showed that etching and deposition occurred during the plasma process and larger dendrites formed on the positive electrode.

ARTEMIS INTERACTS WITH THE CUL4A UBIQUITIN E3 LIGASE COMPLEX AND REGULATES THE CELL CYCLE PROGRESSION

Artemis, a member of the SNM1 gene family, is one of the six known components of the non-homologous end joining pathway. It is a multifunctional phospho-protein that has been shown to be modified by the phosphatidylinositol 3-kinases (PIKs) DNA-PKcs, ATM and ATR in response to a variety of cellular stresses. Artemis has important roles in V(D)J recombination, DNA double strand breaks repair and damage-induced cell-cycle checkpoint regulation. The detailed mechanism by which Artemis mediates its functions in these cellular pathways needs to be further elucidated. My work presented here demonstrates a new function for Artemis in cell cycle regulation as a component of Cullin-based E3 ligase complex. I show that Artemis interacts with Cul4A-DDB1 ligase complex via a direct interaction with the substrate-specific receptor DDB2, and deletion mapping analysis shows that part of the Snm1 domain of Artemis is responsible for this interaction. Additionally, Artemis also interacts with p27, a substrate of Cul4A-DDB1 complex, and both DDB2 and Artemis are required for the degradation of p27 mediated by this complex. Furthermore, I show that the regulation of p27 by Artemis and DDB2 is critical for cell cycle progression in normally proliferating cells and in response to serum withdrawal. Finally, I provide evidence showing that Artemis may be also a part of other Cullin-based E3 ligase complexes, and it has a role in controlling p27 levels in response to different cellular stress, such as UV irradiation. These findings suggest a novel pathway to regulate p27 protein level and define a new function for Artemis as an effector of Cullin-based E3-ligase mediated ubiquitylation, and thus, a cell cycle regulator in proliferating cells.

Upregulation of Reactive Oxygen Species During the Retrovirus Life Cycle and Their Roles in a Mutant of Moloney Murine Leukemia Virus, ts1-Mediated Neurodegeneration

Viral invasion of the central nervous system (CNS) and development of neurological symptoms is a characteristic of many retroviruses. The mechanism by which retrovirus infection causes neurological dysfunction has yet to be fully elucidated. Given the complexity of the retrovirus-mediated neuropathogenesis, studies using small animal models are extremely valuable. Our laboratory has used a mutant moloney murine leukemia retrovirus, ts1-mediated neurodegneration. We hypothesize that astrocytes play an important role in ts1-induced neurodegeneration since they are retroviral reservoirs and supporting cells for neurons. It has been shown that ts1 is able to infect astrocytes in vivo and in vitro. Astrocytes, the dominant cell population in the CNS, extend their end feet to endothelial cells and neuronal synapse to provide neuronal support. Signs of oxidative stress in the ts1-infected CNS have been well-documented from previous studies. After viral infection, retroviral DNA is generated from its RNA genome and integrated into the host genome. In this study, we identified the life cycle of ts1 in the infected astrocytes. During the infection, we observed reactive oxygen species (ROS) upregulations: one at low levels during the early infection phase and another at high levels during the late infection phase. Initially we hypothesized that p53 might play an important role in ts1-mediated astrocytic cell death. Subsequently, we found that p53 is unlikely to be involved in the ts1-mediated astrocytic cell death. Instead, p53 phosphorylation was increased by the early ROS upregulation via ATM, the protein encoded by the ataxia-telangiectasia (A-T) mutated gene. The early upregulation of p53 delayed viral gene expression by suppressing expression of the catalytic subunit of NADPH oxidase (NOX). We further demonstrated that the ROS upregulation induced by NOX activation plays an important role in establishing retroviral genome into the host. Inhibition of NOX decreased viral replication and delayed the onset of pathological symptoms in ts1-infected mice. These observations lead us to conclude that suppression of NOX not only prevents the establishment of the retrovirus but also decreases oxidative stress in the CNS. This study provides us with new perspectives on the retrovirus-host cell interaction and sheds light on retrovirus-induced neurodegeneration as a result of the astrocyte-neuron interaction.

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.