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.

Regulation der Stress-aktivierten Proteinkinasen durch den gentoxischen Benzo[a]pyren-Metaboliten BPDE

Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) sind ubiquitäre Verschmutzungen der Umwelt und entstehen während der unvollständigen Verbrennung organischen Materials wie Holz, Kohle und Erdöl. Werden diese chemisch nicht reaktiven PAK in den Körper aufgenommen, durchlaufen sie eine Reihe von enzymatischen Umsetzungen, die unter der Bezeichnung Fremdstoffmetabolismus zusammengefasst werden. Die chemische Umsetzung des PAK und Prokarzinogens Benzo[a]pyren (B[a]P) führt u.a. zur Bildung des reaktiven Metaboliten B[a]P-7,8-dihydrodiol-9,10-epoxid (BPDE). BPDE ist stark elektrophil und kann auf Grund dieser Eigenschaft an nukleophile Makromoleküle wie Proteine und DNA binden. Die Bildung von BPDE-DNA-Addukten resultiert in der Entstehung von Mutationen und kann zur Tumorbildung führen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit sollte die Wirkung von BPDE als Modellsubstanz für gentoxische Agenzien auf intrazelluläre Signalkaskaden und die Konsequenzen der BPDE-Exposition bezüglich der Zellaktivität untersucht werden. Es konnte gezeigt werden, dass BPDE-Behandlung von Mausfibroblasten eine intrazelluläre Signalkaskade induziert, welche zur Aktivierung der Stressaktivierten Proteinkinasen (SAPK) JNK und p38 führt. An dieser Signalkaskade sind Src-ähnliche Kinasen beteiligt. BPDE-Behandlung führt in den untersuchten Mausfibroblasten zur Induktion von DNA-Einzelstrangbrüchen, deren Auftreten zeitlich mit der SAPK-Aktivierung korreliert. Die BPDEinduzierten DNA-Strangbrüche sind die Folge der Entfernung dieser Läsionen aus dem Genom durch die Nukleotidexzisionsreparatur (NER). Erkannt werden BPDE-DNA-Addukte durch die NERProteine XPA und XPC (Xeroderma Pigmentosum Komplementationsgruppe A und C). Nach der Erkennung von BPDE-DNA-Addukten kommt es zur Rekrutierung von Nukleasen, welche die vorliegende Läsion und umliegende Nukleotide aus dem Genom entfernen. In XPA- und XPCdefizienten Mausfibroblasten induziert BPDE daher keine DNA-Strangbrüche. Jedoch ist nur in XPCdefizienten Zellen, aber nicht in XPA-defizienten Zellen, die SAPK-Aktivierung drastisch reduziert. Behandlung von Mausfibroblasten mit Benzo[c]phenanthren-3,4-Diol-1,2-Epoxid, einem PAK, dessen DNA-Addukte schlecht durch NER-Faktoren erkannt und repariert werden, führt zu keiner SAPKAktivierung. Die Aktivierung von p38 und JNK scheint demnach abhängig zu sein von der Erkennung des primären DNA-Schadens. Die XPC-abhängige SAPK-Aktivierung schützt die Zellen vor BPDEabhängiger Toxizität, da sowohl XPC- als auch p38-defiziente Mausfibroblasten eine höhere Sensitivität gegenüber BPDE zeigen als korrespondierende Wildtypzellen. Zusamenfassend konnte in dieser Arbeit ein neuer Signalweg beschrieben werden, in dem DNASchäden, verursacht durch BPDE, über die XPC-abhängige DNA-Schadenserkennung, die Aktivierung der SAPK induziert. Diese Aktivierung der SAPK schützt vor BPDE-induzierter Toxizität.

Einfluss von oxidativem Stress auf die DNA-Reparatur in Säugerzellen

Gegenstand dieser Arbeit war es, das Zusammenspiel zwischen DNA-Reparatur und zellulärem anitoxidativen Abwehrsystem in Melanomzellen und gesunden Hautfibroblasten näher zu untersuchen. Dabei konnte gezeigt werden, dass die dominierenden DNA-Läsionen im Falle einer Bestrahlung mit sichtbarem Licht (400 – 800 nm) Fpg-sensitive Läsionen, zu denen die Basenmodifikation 7,8-Dihydro-8-oxoguanin (8-oxoG) gehört, und im Falle der UVA-Bestrahlung Cyclobutan-Pyrimidindimere (CPDs) sind. Sowohl Melanomzellen als auch Hautfibroblasten waren problemlos in der Lage, die durch sichtbares Licht und UVA-Strahlung induzierten oxidativen DNA-Modifikationen zu reparieren. Jedoch reagierten Melanomzellen in einer adaptiven Antwort mit einer Erhöhung ihres Glutathion-Gehalts auf ein Maximum (nach circa 10 - 14 h) nach Bestrahlung mit sichtbarem Licht, wohingegen die Hautfibroblasten einen massiven Einbruch direkt nach Bestrahlung und eine extrem lange Erholungsphase über 48 h aufzuweisen hatten. Die darauffolgende Untersuchung der DNA-Reparaturkapazität der Zellen unter Bedingungen von oxidativem Stress mit vorangegangener Depletion intrazellulären Glutathions zeigten eine dramatische, nahezu vollständige Hemmung der Reparatur durch UVA- bzw. Sonnenlicht-induzierter Fpg-sensitiver DNA-Modifikationen (8-oxoG) - sowohl in Melanomzellen als auch in Hautfibroblasten. Dieser Effekt ließ sich durch den Zusatz von Dithiothreitol (DTT), nach erfolgter Bestrahlung der Glutathion-depletierten Zellen, wieder komplett revertieren. Diese Ergebnisse weisen darauf hin, dass an der Reparatur ein redoxempfindliches Protein oder zellulärer Cofaktor beteiligt sein muß. Zudem konnte durch Untersuchungen der Nukleotidexzisionsreparatur (NER) und der Einzelstrangbruchreparatur nach dem gleichen Versuchsdesign gezeigt werden, dass es sich hierbei sehr wahrscheinlich um einen für die Basenexzisionsreparatur (BER) von 7,8-dihydro-8-oxo-guanine (8-oxoG) exklusiven Effekt handelte. Zwei der wichtigsten Reparaturproteine der BER, nämlich hOGG1 und APE1, wurden anschließend auf ihre Funktionsfähigkeit hin untersucht, da es naheliegend war, dass der Reparaturhemmung ein Funktionsverlust eines dieser beiden Enzyme zugrunde liegen könnte. Im Falle des APE1-Proteins konnte dies ausgeschlossen werden, da mit Hilfe der Alkalischen Elution die volle Funktionsfähigkeit für die Reparatur von AP-Läsionen nachgewiesen werden konnte. Interessanterweise zeigte aber das hOGG1-Protein eine zwischen der dritten und vierten Stunde nach Bestrahlung Glutathion-depletierter Zellen stark abfallende Aktivität der 8-oxoG-Glykosylasefunktion. Die Western-Blot-Analyse ergab allerdings keinen Hinweis auf eine Proteinoxidation von hOGG1. Möglicherweise wird nicht hOGG1 selbst, wohl aber ein anderes, für eine konzertierte Abfolge der einzelnen Reparaturschritte entscheidend notwendiges Protein innerhalb der Zelle durch ROS leicht oxidiert. In jedem Fall bleibt festzustellen, dass Glutathion eine wichtige Aufgabe hinsichtlich einer voll funktionsfähigen Basenexzisionreparatur zuzukommen scheint. Die Ergebnisse unterstreichen die mögliche Bedeutung von oxidativem Stress für die Entstehung von Krebs durch Sonnenlicht, insbesondere durch UVA, da die durch die Strahlung (und eventuell auftretende Entzündung) gebildeten ROS nicht nur DNA-Schäden induzieren, sondern auch ihre Reparatur verhindern können.

Mechanistic study of the effects of 8-oxo-7,8-dihydroguanine (8-oxoG) on reporter gene expression in mammalian cells

DNA damage causes replication errors, leading to genetic instability or cell death. Besides that, many types of DNA base modifications have been shown to interfere with transcriptional elongation if they are located in the transcribed DNA strand of active genes, acting as roadblocks for RNA polymerases. It is widely assumed that transcription blockage by endogenous DNA damage is responsible for the early cell senescence in organs and accelerated ageing observed in individuals with compromised nucleotide excision repair.rnThe aims of this work were to design new experimental systems for testing transcription blocking potentials of DNA base modifications in an individual gene and to apply these test systems to the investigation of the effects of a frequent endogenously generated base modification, namely 8-oxo-7,8-hydroxyguanine (8-oxoG), on the gene transcription in cells. Several experimental strategies were employed for this purpose. First, I constructed an episomal vector encoding for a short-lived EGFP-ODC fusion protein and measured expression of the reporter gene in permanently transfected clonal cell lines exposed to DNA damaging agents. Second, the expression of plasmid-borne EGFP gene damaged with photosensitisers to obtain one or several oxidative purine modifications per plasmid molecule was determined in transiently transfected human and mouse host cells in an approach known as “host cell reactivation”. As a prerequisite for these experiments, a robust method of precise quantitative measurement of the EGFP gene expression in transiently transfected cells by flow cytometry was developed and validated. Third, I elaborated a very efficient procedure for insertion of synthetic oligonucleotides carrying 8-oxoG into plasmid DNA, avoiding any unwanted base damage and strand breaks. The consequences of 8-oxoG placed in defined positions in opposing DNA strands of the EGFP gene for transcription were measured by host cell reactivation in cells with functional 8-oxoguanine DNA glycosylase (OGG1) gene and in OGG1 null cells.rnThe results obtained in Ogg1-/- cells demonstrated that unrepaired 8-oxoG, even if situated in the transcribed DNA strand, does not have any negative effect on the reporter gene transcription. On the other hand, as few as one 8-oxoG was sufficient to cause a significant decrease of the gene expression in OGG1-proficient cell lines, i.e. in the presence of base excision repair. For two analysed positions of 8-oxoG in the plasmid DNA, the inhibition of gene transcription by the base modification correlated with the efficiency of its excision by purified OGG1 protein under cell-free conditions. Based on these findings, it has to be concluded that the observed decrease of transcription is mediated by excision of the base modification by OGG1 and probably caused by the repair-induced single-strand breaks. The mechanism of transcription inhibition by 8-oxoG is therefore clearly distinct from stalling of elongating RNA polymerase II complexes at the modified base.

Untersuchungen zur Chemosensitivität von testikulären Tumorzellen gegenüber Cisplatin

Metastasierender Krebs ist bei Erwachsenen in der Regel nicht heilbar. Eine Ausnahme stellen testikuläre Keimzelltumoren (TKZT) dar, da über 75 % der Patienten mit fortgeschrittenen metastasierenden TKZT mit einer auf Cisplatin basierenden Kombinations-Chemotherapie geheilt werden können. Zelllinien, die aus TKZT isoliert wurden, behalten diese Cisplatin-Sensitivität in vitro bei. Somit spiegeln Testistumorzelllinien die klinische Situation wider und sind deswegen ein gutes Modellsystem um zu untersuchen, welche Faktoren der Cisplatin-Sensitivität zugrunde liegen. Die Ursachen der Cisplatin-Sensitivität in Testistumoren sind nicht bekannt. Es wurde bereits gezeigt, dass Testistumorzellen eine geringe Kapazität für die Entfernung von Cisplatin-induzierten DNA-Platinierungen aufweisen. Dieser Defekt in der DNA-Reparatur könnte ein Faktor für die beobachtete Cisplatin-Sensitivität sein. Cisplatin induziert sowohl Intrastrang-Vernetzungen als auch Interstrang-Vernetzungen (ICLs). Die Bildung und Reparatur der Cisplatin-induzierten Intrastrang-Vernetzungen wurde mittels DNA-Slot-Blot, die Bildung und Entfernung von Interstrang-Vernetzungen wurde mithilfe des Comet-Assays untersucht. In der vorliegenden Arbeit wurde gezeigt, dass die Reparatur von Intrastrang-Vernetzungen in Testis- und Blasentumorzelllinien vergleichbar ist. Somit sind Testistumorzellen in diesem Reparaturweg nicht beeinträchtigt. Im Unterschied dazu zeigte sich, dass Testistumorzellen die ICLs nicht oder nur mit einer reduzierten Kapazität entfernen können.Da die ICL-Reparatur über die Bildung von DNA-Doppelstrangbrüchen (DSB) mit anschließender DSB-Reparatur verläuft, wurde die Kinetik der DSB-Reparatur anhand der Immundetektion der Histon-Variante γH2AX, die zur Visualisierung von DSB verwendet wird, verfolgt. γH2AX Foci wurden nach Behandlung mit Cisplatin in Testistumorzellen und Blasentumorzellen gebildet. Anders als in Blasentumorzellen blieb der Prozentsatz an γH2AX-positiven Zellen in Testistumorzellen bestehen. Offensichtlich konnten die Testistumorzellen die Cisplatin-induzierten ICLs nicht korrekt prozessieren, was dazu führte, dass γH2AX Foci persistierten. Da unreparierte DNA-Läsionen eine DNA-schadensabhängige Antwort einleiten können, wurde die Aktivierung der Hauptfaktoren dieser Signalwege untersucht. In den Testistumorzellen zeigte sich eine Erhöhung der p53 Proteinmenge nach Cisplatin-Behandlung. Des Weiteren wurde die durch Cisplatin induzierte Aktivierung von ATM/ATR, Chk1/Chk2, Bax und Noxa in Testis- und Blasentumorzellen vergleichend untersucht. Es wurde bereits gezeigt, dass der Reparaturfaktor ERCC1-XPF in Testistumorzelllinien reduziert vorliegt. Um eine mögliche Rolle von ERCC1-XPF für die Reparatur-Defizienz der ICLs und Cisplatin-Sensitivität in Testistumorzellen zu analysieren, wurde ERCC1-XPF in der Testistumorenzelllinie 833K mithilfe eines Expressionsvektors überexprimiert, und der Einfluss von ERCC1-XPF auf ICL-Reparatur sowie Cisplatin-Sensitivität wurde ermittelt. Überexpression von ERCC1-XPF führte zur Reparatur der ICLs in 833K-Zellen und verminderte die Cisplatinsensitivität. Somit scheint die Cisplatinsensitivität der Testistumorzellen, zumindest zum Teil, auf einer verminderten ICL-Reparatur zu beruhen. Des Weiteren wurde in „proof of principle“ Experimenten ERCC1-XPF in der Cisplatin-resistenten Blasentumorzelllinie MGH-U1 mittels siRNA herunterreguliert, und die Auswirkung der Herunterregulation auf die ICL-Reparatur und die Cisplatinsensitivität wurde geprüft. RNA-Interferenz-vermittelte Herunterregulierung von ERCC1-XPF reduzierte die Prozessierung der Cisplatin-induzierten ICLs und verstärkte die Cisplatinsensitivität in MGH-U1 Zellen. Somit wurde in dieser Arbeit zum ersten Mal gezeigt, dass die Testistumorzellen in Vergleich zu Blasentumorzellen in der Reparatur von ICLs defizient sind, wobei die verminderte ICL-Reparatur auf die geringe Expression von ERCC1-XPF zurückgeführt werden konnte. Diese ICL-Reparatur-Defizienz könnte, zumindest zu einem Teil, für die Sensitivität der Testistumoren gegenüber Cisplatin verantwortlich sein.

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.

On the traces of XPD: cell cycle matters - untangling the genotype-phenotype relationship of XPD mutations

Abstract Mutations in the human gene coding for XPD lead to segmental progeria - the premature appearance of some of the phenotypes normally associated with aging - which may or may not be accompanied by increased cancer incidence. XPD is required for at least three different critical cellular functions: in addition to participating in the process of nucleotide excision repair (NER), which removes bulky DNA lesions, XPD also regulates transcription as part of the general transcription factor IIH (TFIIH) and controls cell cycle progression through its interaction with CAK, a pivotal activator of cyclin dependent kinases (CDKs). The study of inherited XPD disorders offers the opportunity to gain insights into the coordination of important cellular events and may shed light on the mechanisms that regulate the delicate equilibrium between cell proliferation and functional senescence, which is notably altered during physiological aging and in cancer. The phenotypic manifestations in the different XPD disorders are the sum of disturbances in the vital processes carried out by TFIIH and CAK. In addition, further TFIIH- and CAK-independent cellular activities of XPD may also play a role. This, added to the complex feedback networks that are in place to guarantee the coordination between cell cycle, DNA repair and transcription, complicates the interpretation of clinical observations. While results obtained from patient cell isolates as well as from murine models have been elementary in revealing such complexity, the Drosophila embryo has proven useful to analyze the role of XPD as a cell cycle regulator independently from its other cellular functions. Together with data from the biochemical and structural analysis of XPD and of the TFIIH complex these results combine into a new picture of the XPD activities that provides ground for a better understanding of the patophysiology of XPD diseases and for future development of diagnostic and therapeutic tools.

A comprehensive assessment of environmental ultraviolet radiation induced DNA damage in marine microorganisms

There is evidence that ultraviolet radiation (UVR) is increasing over certain locations on the Earth's surface. Of primary concern is the annual pattern of ozone depletion over Antarctica and the Southern Ocean. Reduction of ozone concentration selectively limits absorption of solar UV-B (290–320 nm), resulting in higher irradiance at the Earth's surface. The effects of ozone depletion on the human population and natural ecosystems, particularly the marine environment, are a matter of considerable concern. Indeed, marine plankton may serve as sensitive indicators of ozone depletion and UV-B fluctuations. Direct biological effects of UVR result from absorption of UV-B by DNA. Once absorbed, energy is dissipated by a variety of pathways, including covalent chemical reactions leading to the formation of photoproducts. The major types of photoproduct formed are cyclobutyl pyrimidine dimer (CPD) and pyrimidine(6-4)pyrimidone dimer [(6-4)PD]. Marine plankton repair these photoproducts using light-dependent photoenzymatic repair or nucleotide excision repair. The studies here show that fluctuations in CPD concentrations in the marine environment at Palmer Station, Antarctica correlate well with ozone concentration and UV-B irradiance at the Earth's surface. A comparison of photoproduct levels in marine plankton and DNA dosimeters show that bacterioplankton display higher resistance to solar UVR than phytoplankton in an ozone depleted environment. DNA damage in marine microorganisms was investigated during two separate latitudinal transects which covered a total range of 140°. We observed the same pattern of change in DNA damage levels in dosimeters and marine plankton as measured using two distinct quantitative techniques. Results from the transects show that differences in photosensitivity exist in marine plankton collected under varying UVR environments. Laboratory studies of Antarctic bacterial isolates confirm that marine bacterioplankton possess differences in survival, DNA damage induction, and repair following exposure to UVR. Results from DNA damage measurements during ozone season, along a latitudinal gradient, and in marine bacterial isolates suggest that changes in environmental UVR correlate with changes in UV-B induced DNA damage in marine microorganisms. Differences in the ability to tolerate UVR stress under different environmental conditions may determine the composition of the microbial communities inhabiting those environments. ^

RNA polymerase II large subunit degradation induced by ecteinascidin 743: Molecular characterization and subsequent rational investigation of antitumor mechanisms in cancers with clinical response

Ecteinascidin 743 (Et-743), which is a novel DNA minor groove alkylator with a unique spectrum of antitumor activity, is currently being evaluated in phase II/III clinical trials. Although the precise molecular mechanisms responsible for the observed antitumor activity are poorly understood, recent data suggests that post-translational modifications of RNA polymerase II Large Subunit (RNAPII LS) may play a central role in the cellular response to this promising anticancer agent. The stalling of an actively transcribing RNAPII LS at Et-743-DNA adducts is the initial cellular signal for transcription-coupled nucleotide excision repair (TC-NER). In this manner, Et-743 poisons TC-NER and produces DNA single strand breaks. Et-743 also inhibits the transcription and RNAPII LS-mediated expression of selected genes. Because the poisoning of TC-NER and transcription inhibition are critical components of the molecular response to Et-743 treatment, we have investigated if changes in RNAPII LS contribute to the disruption of these two cellular pathways. In addition, we have studied changes in RNAPII LS in two tumors for which clinical responses were reported in phase I/II clinical trials: renal cell carcinoma and Ewing's sarcoma. Our results demonstrate that Et-743 induces degradation of the RNAPII LS that is dependent on active transcription, a functional 26S proteasome, and requires functional TC-NER, but not global genome repair. Additionally, we have provided the first experimental data indicating that degradation of RNAPII LS might lead to the inhibition of activated gene transcription. A set of studies performed in isogenic renal carcinoma cells deficient in von Hippel-Lindau protein, which is a ubiquitin-E3-ligase for RNAPII LS, confirmed the central role of RNAPII LS degradation in the sensitivity to Et-743. Finally, we have shown that RNAPII LS is also degraded in Ewing's sarcoma tumors following Et-743 treatment and provide data to suggest that this event plays a role in decreased expression of the Ewing's sarcoma oncoprotein, EWS-Fli1. Altogether, these data implicate degradation of RNAPII LS as a critical event following Et-743 exposure and suggest that the clinical activity observed in renal carcinoma and Ewing's sarcoma may be mediated by disruption of molecular pathways requiring a fully functional RNAPII LS. ^

E2F1's role in ultraviolet-induced DNA damage response

The E2F1 transcription factor is a well-known regulator of cell proliferation and apoptosis, but its role in the DNA damage response is less clear. It has been shown that E2F1 becomes stabilized in response to DNA double strand breaks (DSBs) and accumulates at sites of DSBs. This process requires ATM kinase and serine 31 phosphorylation, which provides a binding site for TopBp1. However, the role of E2F1 at sites of DNA damage is not clear. We expanded the study of E2F1's role in the DNA damage response by exploring its functions in ultraviolet (UV) induced DNA damage, and identified that E2F1 promotes DNA repair and cell survival. To further investigate the mechanisms underlying our findings, we examined the possibility for direct involvement of E2F1 in DNA repair. We found that E2F1 localizes to sites of UV irradiation-induced DNA damage dependent on the ATR kinase and serine 31 of E2F1. E2F1 also associates with the GCN5 histone acetyltransferase in response to UV irradiation and recruits GCN5 to sites of DNA damage. This correlates with an increase in histone H3 lysine 9 (H3K9) acetylation and chromatin relaxation. In the absence of E2F1 or GCN5, nucleotide excision repair (NER) proteins do not efficiently localize to sites of UV damage and DNA repair is impaired. E2F1 mutants unable to bind DNA or activate transcription retain the ability to stimulate NER. These findings demonstrate a non-transcriptional role for E2F1 in DNA repair involving GCN5-mediated H3K9 acetylation and increased accessibility to the NER machinery. ^

FANCM AND FAAP24 MAINTAIN GENOMIC STABILITY THROUGH COOPERATIVE AND UNIQUE FUNCTIONS

Fanconi anemia (FA) is a rare recessive genetic disease with an array of clinical manifestations including multiple congenital abnormalities, progressive bone marrow failure and profound cancer susceptibility. A hallmark of cells derived from FA patients is hypersensitivity to DNA interstrand crosslinking agents such as mitomycin C (MMC) and cisplatin, suggesting that FA- and FA-associated proteins play important roles in protecting cells from DNA interstrand crosslink (ICL) damage. Two genes involved in the FA pathway, FANCM and FAAP24, are of particular interest because they contain DNA interacting domains. However, there are no definitive patient mutations for these two genes, and the resulting lack of human genetic model system renders their functional studies difficult. In this study, I established isogenic human FANCM- and FAAP24-null mutants through homologous replacement-mediated gene targeting in HCT-116 cells, and systematically investigated the functions of FANCM and FAAP24 inchromosome stability, FA pathway activation, DNA damage checkpoint signaling, and ICL repair. I found that the FANCM-/-/FAAP24-/- double mutant was much more sensitive to DNA crosslinking agents than FANCM-/- and FAAP24-/- single mutants, suggesting that FANCM and FAAP24 possess epistatic as well as unique functions in response to ICL damage. I demonstrated that FANCM and FAAP24 coordinately support the activation of FA pathway by promoting chromatin localization of FA core complex and FANCD2 monoubiqutination. They also cooperatively function to suppress sister chromatid exchange and radial chromosome formation, likely by limiting crossovers in recombination repair. In addition, I defined novel non-overlapping functions of FANCM and FAAP24 in response to ICL damage. FAAP24 plays a major role in activating ICL-induced ATR-dependent checkpoint, which is independent of its interaction with FANCM. On the other hand, FANCM promotes recombination-independent ICL repair independently of FAAP24. Mechanistically, FANCM facilitates recruitment of nucleotide excision repair machinery and lesion bypass factors to ICL damage sites through its translocase activity. Collectively, my studies provide mechanistic insights into how genome integrity is both coordinately and independently protected by FANCM and FAAP24.

Mutagenicity in Escherichia coli of the major DNA adduct derived from the endogenous mutagen malondialdehyde

The spectrum of mutations induced by the naturally occurring DNA adduct pyrimido[1,2-α]purin-10(3H)-one (M1G) was determined by site-specific approaches using M13 vectors replicated in Escherichia coli. M1G was placed at position 6256 in the (−)-strand of M13MB102 by ligating the oligodeoxynucleotide 5′-GGT(M1G)TCCG-3′ into a gapped-duplex derivative of the vector. Unmodified and M1G-modified genomes containing either a cytosine or thymine at position 6256 of the (+)-strand were transformed into repair-proficient and repair-deficient E. coli strains, and base pair substitutions were quantitated by hybridization analysis. Modified genomes containing a cytosine opposite M1G resulted in roughly equal numbers of M1G→A and M1G→T mutations with few M1G→C mutations. The total mutation frequency was ≈1%, which represents a 500-fold increase in mutations compared with unmodified M13MB102. Transformation of modified genomes containing a thymine opposite M1G allowed an estimate to be made of the ability of M1G to block replication. The (−)-strand was replicated >80% of the time in the unadducted genome but only 20% of the time when M1G was present. Correction of the mutation frequency for the strand bias of replication indicated that the actual frequency of mutations induced by M1G was 18%. Experiments using E. coli with different genetic backgrounds indicated that the SOS response enhances the mutagenicity of M1G and that M1G is a substrate for repair by the nucleotide excision repair complex. These studies indicate that M1G, which is present endogenously in DNA of healthy human beings, is a strong block to replication and an efficient premutagenic lesion.

The Drosophila melanogaster Homologue of the Xeroderma Pigmentosum D Gene Product Is Located in Euchromatic Regions and Has a Dynamic Response to UV Light-induced Lesions in Polytene Chromosomes

The XPD/ERCC2/Rad3 gene is required for excision repair of UV-damaged DNA and is an important component of nucleotide excision repair. Mutations in the XPD gene generate the cancer-prone syndrome, xeroderma pigmentosum, Cockayne’s syndrome, and trichothiodystrophy. XPD has a 5′- to 3′-helicase activity and is a component of the TFIIH transcription factor, which is essential for RNA polymerase II elongation. We present here the characterization of the Drosophila melanogaster XPD gene (DmXPD). DmXPD encodes a product that is highly related to its human homologue. The DmXPD protein is ubiquitous during development. In embryos at the syncytial blastoderm stage, DmXPD is cytoplasmic. At the onset of transcription in somatic cells and during gastrulation in germ cells, DmXPD moves to the nuclei. Distribution analysis in polytene chromosomes shows that DmXPD is highly concentrated in the interbands, especially in the highly transcribed regions known as puffs. UV-light irradiation of third-instar larvae induces an increase in the signal intensity and in the number of sites where the DmXPD protein is located in polytene chromosomes, indicating that the DmXPD protein is recruited intensively in the chromosomes as a response to DNA damage. This is the first time that the response to DNA damage by UV-light irradiation can be visualized directly on the chromosomes using one of the TFIIH components.

Polarity of human replication protein A binding to DNA

Replication protein A (RPA), the nuclear single-stranded DNA binding protein is involved in DNA replication, nucleotide excision repair (NER) and homologous recombination. It is a stable heterotrimer consisting of subunits with molecular masses of 70, 32 and 14 kDa (p70, p32 and p14, respectively). Gapped DNA structures are common intermediates during DNA replication and NER. To analyze the interaction of RPA and its subunits with gapped DNA we designed structures containing 9 and 30 nucleotide gaps with a photoreactive arylazido group at the 3′-end of the upstream oligonucleotide or at the 5′-end of the downstream oligonucleotide. UV crosslinking and subsequent analysis showed that the p70 subunit mainly interacts with the 5′-end of DNA irrespective of DNA structure, while the subunit orientation towards the 3′-end of DNA in the gap structures strongly depends on the gap size. The results are compared with the data obtained previously with the primer–template systems containing 5′- or 3′-protruding DNA strands. Our results suggest a model of polar RPA binding to the gapped DNA.

Significance analysis of microarrays applied to the ionizing radiation response

Microarrays can measure the expression of thousands of genes to identify changes in expression between different biological states. Methods are needed to determine the significance of these changes while accounting for the enormous number of genes. We describe a method, Significance Analysis of Microarrays (SAM), that assigns a score to each gene on the basis of change in gene expression relative to the standard deviation of repeated measurements. For genes with scores greater than an adjustable threshold, SAM uses permutations of the repeated measurements to estimate the percentage of genes identified by chance, the false discovery rate (FDR). When the transcriptional response of human cells to ionizing radiation was measured by microarrays, SAM identified 34 genes that changed at least 1.5-fold with an estimated FDR of 12%, compared with FDRs of 60 and 84% by using conventional methods of analysis. Of the 34 genes, 19 were involved in cell cycle regulation and 3 in apoptosis. Surprisingly, four nucleotide excision repair genes were induced, suggesting that this repair pathway for UV-damaged DNA might play a previously unrecognized role in repairing DNA damaged by ionizing radiation.