DNA-Doppelstrangbrüche als zentrales Ereignis alkylierungsinduzierter Zytotoxizität

DNA-Doppelstrangbrüche als zentrales Ereignis alkylierungsinduzierter Zytotoxizität Die vorliegende Arbeit befaßt sich mit der Entstehung von DNA-Doppelstrangbrüchen durch gentoxische Agenzien sowie den zytotoxischen Auswirkungen, die DNA-Doppelstrangbrüche für die Säuger-Zelle haben. Im ersten Teil der Arbeit wurden die molekularen Mechanismen untersucht, die am O6-Methylguanin (O6-MeG)-DNA-Schaden, hervorgerufen durch alkylierende Agenzien, ablaufen. Dabei konnte gezeigt werden, das O6-Methylguanin DNA-Methyltransferase (MGMT) O6-MeG/C und O6-MeG/T in vitro mit gleicher Effizienz repariert und daß die Reparatur von O6-MeG nach dem ersten Zellzyklus protektive Auswirkung auf das zelluläre Überleben hat. Im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit stand die Induktion von DNA-Doppelstrangbrüchen durch gentoxische Agenzien in Mausfibroblasten und CHO-Zellen im Mittelpunkt. Mit Hilfe der Einzelzellgelelektrophorese (SCGE, Comet Assay) wurde gezeigt, daß alkylierende Substanzen und die durch Elektroporation in Zellen hineingebrachten Restriktionsenzyme PvuII und EcoRI DNA-Doppelstrangbrüche zu induzieren vermögen. Die Induktion und Reparatur von DNA-Doppelstrangbrüchen nach Elektroporation von PvuII war vom p53-Status der Zellen abhängig, da p53-defiziente Zellen im Gegensatz zu p53-profizienten Zellen höhere DNA-Doppelstrangbruchraten über einen längeren Zeitraum aufwiesen. Im dritten Teil wurden die physiologischen Auswirkungen einer Behandlung von Zellen mit Induktoren von DNA-Doppelstrangbrüchen untersucht. Es wurde gezeigt, daß Alkylanzien in Abhängigkeit vom Vorhandensein von MGMT Apoptose induzieren. Mit PvuII elektroporierte p53-knockout Mausfibroblasten zeigten infolgedessen und im Gegensatz zu p53-wildtyp Zellen hohe Apoptoseraten. Die Induktion der Apoptose nach Behandlung mit PvuII wie auch nach g-Bestrahlung ging einher mit einem Abfall der Proteinmenge des antiapoptotischen Bcl-2. Zusammengenommen weisen die Versuchsergebnisse dieser Arbeit darauf hin, daß nach Behandlung von Zellen mit O6-MeG-generierenden Agenzien wie auch nach g-Bestrahlung DNA-Doppelstrangbrüche das ultimative Signal darstellen können.

Generierung und Prozessierung oxidativer DNA-Schäden

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

Untersuchungen zur Reparatur und Mutagenität oxidativer DNA-Schäden in vivo und deren Bedeutung für die Kanzerogenese

Gegenstand dieser Arbeit war die Untersuchung, welche Rolle endogen gebildete oxidative DNA-Modifikationen bei der Kanzerogenese spielen. Dazu wurden Cockayne Syndrom B-knockout-Mäuse (Csb-/-), 8-Hydroxyguanin-DNA-Glykosylase-knockout-Mäuse (Ogg1-/-) und Csb-/-/Ogg1-/- Mäuse generiert, die das bakterielle lacI-Gen (Big Blue®) tragen und somit für in vivo Mutationstests eingesetzt werden können. Die Ergebnisse zeigen, dass es in den Lebern der Ogg1-/- Mäuse zu einem 2,1-fachen und in Csb-/-/Ogg1-/- Mäusen zu einem statistisch signifikanten 3,3-fachen Anstieg der Mutationsfrequenz kommt. Die gefundene Erhöhung der Mutationsfrequenz war vor allem auf eine Erhöhung der G:C zu T:A Transversionen zurückzuführen, die typischerweise aus nicht repariertem 8 Hydroxyguanin (8-oxoG) entstehen. Aus mechanistischer Sicht verdeutlichen die Ergebnisse, dass OGG1 das primäre Abwehrsystem gegen oxidative DNA-Modifikationen darstellt und dass das CSB-Protein einen Ausfall von OGG1, selbst in nicht transkribierter DNA, teilweise kompensieren kann. Aus der Korrelation der gefundenen oxidativen DNA-Schäden - bestimmt mittels Alkalischer Elution und der bakteriellen Formamidopyrimidin-DNA-Glykosylase (Fpg-Protein) - mit der Mutationsfrequenz konnte abgeleitet werden, dass bereits weniger als 0,2 Fpg-sensitive DNA-Modifikationen pro 1 Million Basenpaare ausreichen, die spontane Mutationsfrequenz in vivo zu verdoppeln. Zur Untersuchung, welche Rolle die erhöhte Mutationsfrequenz bei der Krebsentstehung spielt, wurden Csb-/-/Ogg1-/- und Wildtyp-Mäuse mit dem Peroxisomenproliferator und spezifischem Leberpromotor WY-14,643 behandelt um spontan initiierte Hepatozyten zur Proliferation anzuregen. Als Endpunkt einer malignen Entartung wurde das Auftreten von Glucose-6-Phosphatase positiven und negativen Läsionen beobachtet. Es zeigte sich, dass Csb-/-/Ogg1-/- Mäuse signifikant mehr enzymveränderte Läsionen in ihren Lebern aufwiesen, als die Wildtyp-Kontrollen. Die Ergebnisse verdeutlichen, dass endogen gebildete oxidative DNA-Modifikationen und daraus resultierende Mutationen grundsätzlich einen erheblichen Anteil zur hohen spontanen Krebsinzidenz in der Bevölkerung leisten könnten.

DNA block copolymers - synthesis, morphologies and applications

The last decades have witnessed significant and rapid progress in polymer chemistry and molecular biology. The invention of PCR and advances in automated solid phase synthesis of DNA have made this biological entity broadly available to all researchers across biological and chemical sciences. Thanks to the development of a variety of polymerization techniques, macromolecules can be synthesized with predetermined molecular weights and excellent structural control. In recent years these two exciting areas of research converged to generate a new type of nucleic acid hybrid material, consisting of oligodeoxynucleotides and organic polymers. By conjugating these two classes of materials, DNA block copolymers are generated exhibiting engineered material properties that cannot be realized with polymers or nucleic acids alone. Different synthetic strategies based on grafting onto routes in solution or on solid support were developed which afforded DNA block copolymers with hydrophilic, hydrophobic and thermoresponsive organic polymers in good yields. Beside the preparation of DNA block copolymers with a relative short DNA-segment, it was also demonstrated how these bioorganic polymers can be synthesized exhibiting large DNA blocks (>1000 bases) applying the polymerase chain reaction. Amphiphilic DNA block copolymers, which were synthesized fully automated in a DNA synthesizer, self-assemble into well-defined nanoparticles. Hybridization of spherical micelles with long DNA templates that encode several times the sequence of the micelle corona induced a transformation into rod-like micelles. The Watson-Crick motif aligned the hydrophobic polymer segments along the DNA double helix, which resulted in selective dimer formation. Even the length of the resulting nanostructures could be precisely adjusted by the number of nucleotides of the templates. In addition to changing the structural properties of DNA-b-PPO micelles, these materials were applied as 3D nanoscopic scaffolds for organic reactions. The DNA strands of the corona were organized by hydrophobic interactions of the organic polymer segments in such a fashion that several DNA-templated organic reactions proceeded in a sequence specific manner; either at the surface of the micelles or at the interface between the biological and the organic polymer blocks. The yields of reactions employing the micellar template were equivalent or better than existing template architectures. Aside from its physical properties and the morphologies achieved, an important requirement for a new biomaterial is its biocompatibility and interaction with living systems, i.e. human cells. The toxicity of the nanoparticles was analyzed by a cell proliferation assay. Motivated by the non-toxic nature of the amphiphilic DNA block copolymers, these nanoobjects were employed as drug delivery vehicles to target the anticancer drug to a tumor tissue. The micelles obtained from DNA block copolymers were easily functionalized with targeting units by hybridization. This facile route allowed studying the effect of the amount of targeting units on the targeting efficacy. By varying the site of functionalization, i.e. 5’ or 3’, the outcome of having the targeting unit at the periphery of the micelle or in the core of the micelle was studied. Additionally, these micelles were loaded with an anticancer drug, doxorubicin, and then applied to tumor cells. The viability of the cells was calculated in the presence and absence of targeting unit. It was demonstrated that the tumor cells bearing folate receptors showed a high mortality when the targeting unit was attached to the nanocarrier.

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

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.

Parallel synthesis and nucleic acid binding properties of C(6')-[alpha]-functionalized bicyclo-DNA

Two novel bicyclo-T nucleosides carrying a hydroxyl or a carboxymethyl substituent in C(6')-[alpha]-position were prepared and incorporated into oligodeoxynucleotides. During oligonucleotide deprotection the carboxymethyl substituent was converted into different amide substituents in a parallel way. Tm-measurements showed no dramatic differences in both, thermal affinity and mismatch discrimination, compared to unmodified oligonucleotides. The post-synthetic modification of the carboxymethyl substituent allows in principle for a parallel preparation of a library of oligonucleotides carrying diverse substituents at C(6'). In addition, functional groups can be placed into unique positions in a DNA double helix.

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.

Alternative DNA base-pairs: from efforts to expand the genetic code to potential material applications

The complementary Watson-Crick base-pairs, A:T and G:C, have long been recognized as pivotal to both the stability of the DNA double helix and replication/transcription. Recently, the replacement of the Watson-Crick base-pairs with other molecular entities has received considerable attention. In this tutorial review we highlight different approaches used to replace natural base-pairs and equip them with novel function. We also discuss the advantages that non-natural base-pairs convey with respect to practical applications.

Questing Dermacentor reticulatus harbouring Babesia canis DNA associated with outbreaks of canine babesiosis in the Swiss Midlands

In 2011 and 2012, outbreaks of clinical canine babesiosis were observed in 2 areas of the Swiss Midlands that had no history of this disease so far. In one area, cases of canine babesiosis occurred over 2 consecutive tick seasons. The outbreaks involved 29 dogs, 4 of which died. All dogs were infected with large Babesia sp. as diagnosed in Giemsa-stained blood smears and/or PCR. These were identified as B. canis (formerly known as B. canis canis) by subsequent partial sequencing of the 18S rRNA gene of Babesia sp. Interestingly, the sequence indicated either a genotype with heterogeneity in the ssrRNA gene copies or double infection with different B. canis isolates. None of the dogs had a recent travel history, but one had frequently travelled to Hungary and had suffered twice from clinical babesiosis 18 and 24 months prior to the outbreak in autumn 2011. Retrospective sequencing of a stored blood DNA sample of this dog revealed B. canis, with an identical sequence to the Babesia involved in the outbreaks. For the first time in Switzerland, the partial 18S rRNA gene of B. canis could be amplified from DNA isolated from 19 out of 23 adult Dermacentor reticulatus ticks flagged in the same area. The sequence was identical to that found in the dogs. Furthermore, one affected dog carried a female D. reticulatus tick harbouring B. canis DNA. Our findings illustrate that, under favourable biogeographic and climatic conditions, the life-cycle of B. canis can relatively rapidly establish itself in previously non-endemic areas. Canine babesiosis should therefore always be a differential diagnosis when dogs with typical clinical signs are presented, regardless of known endemic areas.

A 6'-Fluoro-Substituent in Bicyclo-DNA Increases Affinity to Complementary RNA Presumably by CF-HC Pseudohydrogen Bonds

The synthesis of a novel bicyclic thymidine analogue carrying a β-fluoro substituent at C6' (6'F-bcT) has been achieved. Key steps of the synthesis were an electrophilic fluorination/stereospecific hydrogenation sequence of a bicyclo sugar intermediate, followed by an N-iodo-succinimide-induced stereoselective nucleosidation. A corresponding phosphoramidite building block was then prepared and used for oligonucleotide synthesis. Tm measurements of oligonucleotides with single and double incorporations showed a remarkable stabilization of duplex formation particularly with RNA as complement without compromising pairing selectivity. Increases in Tm were in the range of +1-2 °C compared to thymidine and +1-3 °C compared to a standard bc-T residue. Structural investigations of the 6'F-bcT nucleoside by X-ray crystallography showed an in-line arrangement of the fluorine substituent with H6 of thymine, however, with a distance that is relatively long for a nonclassical CF-HC hydrogen bond. In contrast, structural investigations in solution by (1)H and (13)C NMR clearly showed scalar coupling of fluorine with H6 and C6 of the nucleobase, indicating the existence of at least weak electrostatic interactions. On the basis of these results, we put forward the hypothesis that these weak CF-HC6 electrostatic interactions increase duplex stability by orienting and partially freezing torsion angle χ of the 6'F-bcT nucleoside.

NMR structure of a complex between the VirB9/VirB7 interaction domains of the pKM101 type IV secretion system.

Type IV secretion (T4S) systems translocate DNA and protein effectors through the double membrane of Gram-negative bacteria. The paradigmatic T4S system in Agrobacterium tumefaciens is assembled from 11 VirB subunits and VirD4. Two subunits, VirB9 and VirB7, form an important stabilizing complex in the outer membrane. We describe here the NMR structure of a complex between the C-terminal domain of the VirB9 homolog TraO (TraO(CT)), bound to VirB7-like TraN from plasmid pKM101. TraO(CT) forms a beta-sandwich around which TraN winds. Structure-based mutations in VirB7 and VirB9 of A. tumefaciens show that the heterodimer interface is conserved. Opposite this interface, the TraO structure shows a protruding three-stranded beta-appendage, and here, we supply evidence that the corresponding region of VirB9 of A. tumefaciens inserts in the membrane and protrudes extracellularly. This complex structure elucidates the molecular basis for the interaction between two essential components of a T4S system.

Role of {\it ERCC1\/} in DNA repair and genetic recombination

The ERCC1 (Excision Repair Cross-Complementing-1) gene is the presumptive mammalian homolog of the Saccharomyces cerevisiae RAD10 gene. In mammalian NER, the Ercc1/XpF complex functions as an endonuclease that specifically recognizes 5$\sp\prime$ double-strand-3$\sp\prime$ single-strand structures. In yeast, the analogous function is performed by the Rad1/Rad10 complex. These observations and the conservation of amino acid homology between the Rad1 and XpF and the Rad10 and Ercc1 proteins has led to a general assumption of functional homology between these genes.^ In addition to NER, the Rad1/Rad10 endonuclease complex is also required in certain specialized mitotic recombination pathways in yeast. However, a similiar requirement for the endonuclease function of the Ercc1/XpF complex during genetic recombination in mammalian cells has not been directly demonstrated. The experiments performed in these studies were designed to determine if ERCC1 deficiency would produce recombination-deficient phenotypes in CHO cells similar to those observed in RAD10 deletion mutants, including: (1) decreased single-reciprocal exchange recombination, and (2) inability to process 5$\sp\prime$ sequence heterology in recombination intermediates.^ Specifically, these studies describe: (1) The isolation and characterization of the ERCC1 locus of Chinese hamster ovary cells; (2) The production of an ERCC1 null mutant cell line by targeted knock-out of the endogenous ERCC1 gene in a Chinese hamster ovary cell line, CHO-ATS49tg, which contains an endogenous locus, APRT, suitable as a chromosomal target for homologous recombination; (3) The characterization of mutant ERCC1 alleles from a panel of Chinese hamster ovary cell ERCC1 mutants derived by conventional mutagenesis; (4) An investigation of the effects of ERCC1 mutation on mitotic recombination through targeting of the APRT locus in an ERCC1 null background.^ The results of these studies strongly suggest that the role of ERCC1 in homologous recombination in mammalian cells is analogous to that of the yeast RAD10 gene. ^

CHROMOSOMAL ORIGIN OF DM-DNA

Double minutes (dm) are small chromatin particles of 0.3 microns diameter found only in the metaphase cells of human and murine tumors. Dm are unique cytogenetic structures since their numbers per cell show wide variation. At cell division, dm are retained despite the lack of centromeres. In squash preparations, dm show clustering often in association with chromosomes. Human carcinoma cell line SW613-S18 was found to have large numbers of dm and biological characteristics favorable for mitotic synchronization and chromosome isolation experiments.^ S18 cells were synchronized to mitosis with metabolic and mitotic blocking compounds. Mitotic cells were lysed to release chromosomes and dm from the mitotic spindle and the resulting suspensions were fractionated to enrich for dm. The DNA in enriched fractions was characterized. The reassociation kinetics of dm-DNA driven with placental human DNA was similar to the reassociation curve of labeled placental DNA under similar conditions. In situ hybridization of dm-DNA to tumor and normal metaphase cells showed grain localization over the entire karyotype. Dm-DNA was shown by pulse chase DNA replication experiments to replicate during early and mid S-phase of the cell cycle, but not in late S-phase. In addition, BrdUrd incorporation studies showed that dm-DNA replicates only once during the S-phase. Premature chromosome condensation studies suggest the basis of numerical heterogeneity of dm is nondisjunction, not anomalous or unscheduled DNA replication.^ These data and previous cytochemical banding studies of dm in SW613-S18 indicate that dm-DNA is chromosomal in origin. No evidence of gene amplification was found in the DNA reassociation data. It is likely that dm-DNA represents the pale-staining G-band regions of the human karyotype in this cell line. ^

Fluorinated olefinic peptide nucleic acid: synthesis and pairing properties with complementary DNA

The fluorinated olefinic peptide nucleic acid (F-OPA) system was designed as a peptide nucleic acid (PNA) analogue in which the base carrying amide moiety was replaced by an isostructural and isoelectrostatic fluorinated C-C double bond, locking the nucleobases in one of the two possible rotameric forms. By comparison of the base-pairing properties of this analogue with its nonfluorinated analogue OPA and PNA, we aimed at a closer understanding of the role of this amide function in complementary DNA recognition. Here we present the synthesis of the F-OPA monomer building blocks containing the nucleobases A, T, and G according to the MMTr/Acyl protecting group scheme. Key steps are a selective desymmetrization of the double bond in the monomer precursor via lactonization as well as a highly regioselective Mitsunobu reaction for the introduction of the bases. PNA decamers containing single F-OPA mutations and fully modified F-OPA decamers and pentadecamers containing the bases A and T were synthesized by solid-phase peptide chemistry, and their hybridization properties with complementary parallel and antiparallel DNA were assessed by UV melting curves and CD spectroscopic methods. The stability of the duplexes formed by the decamers containing single (Z)-F-OPA modifications with parallel and antiparallel DNA was found to be strongly dependent on their position in the sequence with T(m) values ranging from +2.4 to -8.1 degrees C/modification as compared to PNA. Fully modified F-OPA decamers and pentadecamers were found to form parallel duplexes with complementary DNA with reduced stability compared to PNA or OPA. An asymmetric F-OPA pentadecamer was found to form a stable self-complex (T(m) approximately 65 degrees C) of unknown structure. The generally reduced affinity to DNA may therefore be due to an increased propensity for self-aggregation