Immuno-potentiating activity of surfactant vesicles in DNA and subunit vaccination

Enhanced immune responses for DNA and subunit vaccines potentiated by surfactant vesicle based delivery systems outlined in the present study, provides proof of principle for the beneficial aspects of vesicle mediated vaccination. The dehydration-rehydration technique was used to entrap plasmid DNA or subunit antigens into lipid-based (liposomes) or non-ionic surfactant-based (niosomes) dehydration-rehydration vesicles (DRV). Using this procedure, it was shown that both these types of antigens can be effectively entrapped in DRV liposomes and DRV niosomes. The vesicle size of DRV niosomes was shown to be twice the diameter (~2µm) of that of their liposome counterparts. Incorporation of cryoprotectants such as sucrose in the DRV procedure resulted in reduced vesicle sizes while retaining high DNA incorporation efficiency (~95%). Transfection studies in COS 7 cells demonstrated that the choice of cationic lipid, the helper lipid, and the method of preparation, all influenced transfection efficiency indicating a strong interdependency of these factors. This phenomenon has been further reinforced when 1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine (DOPE): cholesteryl 3b- [N-(N’ ,N’ -dimethylaminoethane)-carbamoyl] cholesterol (DC-Chol)/DNA complexes were supplemented with non-ionic surfactants. Morphological analysis of these complexes using transmission electron microscopy and environmental scanning electron microscopy (ESEM) revealed the presence of heterogeneous structures which may be essential for an efficient transfection in addition to the fusogenic properties of DOPE. In vivo evaluation of these DNA incorporated vesicle systems in BALB/c mice showed weak antibody and cell-mediated immune (CMI) responses. Subsequent mock challenge with hepatitis B antigen demonstrated that, 1-monopalmitoyl glycerol (MP) based DRV, is a more promising DNA vaccine adjuvant. Studying these DRV systems as adjuvants for the Hepatitis B subunit antigen (HBsAg) revealed a balanced antibody/CMI response profile on the basis of the HBsAg specific antibody and cytokine responses which were higher than unadjuvated antigen. The effect of addition of MP, cholesterol and trehalose 6,6’-dibehenate (TDB) on the stability and immuno-efficacy of dimethyldioctadecylammonium bromide (DDA) vesicles was investigated. Differential scanning calorimetry showed a reduction in transition temperature of DDA vesicles by ~12°C when incorporated with surfactants. ESEM of MP based DRV system indicated an increased vesicle stability upon incorporation of antigen. Adjuvant activity of these systems tested in C57BL/6j mice against three subunit antigens i.e., mycobacterial fusion protein- Ag85B-ESAT-6, and two malarial antigens - merozoite surface protein-1, (MSP1), and glutamate rich protein, (GLURP) revealed that while MP and DDA based systems induced comparable antibody responses, DDA based systems induced powerful CMI responses.

Aspirin and alterations in DNA repair proteins in the SW480 colorectal cancer cell line

Regular aspirin intake is associated with a reduction in the incidence of colorectal cancer. Aspirin has been shown to be cytotoxic to colorectal cancer cells in vitro. The molecular basis for this cytotoxicity is controversial, with a number of competing hypotheses in circulation. One suggestion is that the protective effect is related to the induction of expression of the DNA mismatch repair (MMR) proteins hMLH1, hMSH2, hMSH6 and hPMS2 in DNA MMR proficient cells. We report that treatment of the DNA MMR competent/p53 mutant colorectal cancer cell line SW480 with 1 mM aspirin for 48 h caused changes in mRNA expression of several key genes involved in DNA damage signalling pathways, including a significant down-regulation in transcription of the genes ATR, BRCA1 and MAPK12. Increases in the transcription of XRCC3 and GADD45alpha genes are also reported. Regulation of these genes could potentially have profound effects on colorectal cancer cells and may play a role in the observed chemo-protective effect of aspirin in vivo. Although a correlation was not seen between transcript and protein levels of ATR, BRCA1 and GADD45alpha, an increase in XRCC3 encoded protein expression upon aspirin treatment in SW480 cells was observed by immunoblotting, immunofluorescence and immunohistochemical analysis. This is the first report of XRCC3 gene transcription and encoded protein expression being susceptible to exposure to the non-steroidal anti-inflammatory drug, aspirin. Furthermore, this study indicates that alterations in gene transcription seen in microarray studies must be verified at the protein level.

The function of the Saccharomyces Cerevisiae ribonucleotide reductase second [beta] subunit in DNA repair

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Visualizing Rare Watson-Crick-Like Tautomeric and Anionic Mismatches in DNA and RNA

The central dogma of molecular biology relies on the correct Watson-Crick (WC) geometry of canonical deoxyribonucleic acid (DNA) dG•dC and dA•dT base pairs to replicate and transcribe genetic information with speed and an astonishing level of fidelity. In addition, the Watson-Crick geometry of canonical ribonucleic acid (RNA) rG•rC and rA•rU base pairs is highly conserved to ensure that proteins are translated with high fidelity. However, numerous other potential nucleobase tautomeric and ionic configurations are possible that can give rise to entirely new pairing modes between the nucleotide bases. Very early on, James Watson and Francis Crick recognized their importance and in 1953 postulated that if bases adopted one of their less energetically disfavored tautomeric forms (and later ionic forms) during replication it could lead to the formation of a mismatch with a Watson-Crick-like geometry and could give rise to “natural mutations.”

Since this time numerous studies have provided evidence in support of this hypothesis and have expanded upon it; computational studies have addressed the energetic feasibilities of different nucleobases’ tautomeric and ionic forms in siico; crystallographic studies have trapped different mismatches with WC-like geometries in polymerase or ribosome active sites. However, no direct evidence has been given for (i) the direct existence of these WC-like mismatches in canonical DNA duplex, RNA duplexes, or non-coding RNAs; (ii) which, if any, tautomeric or ionic form stabilizes the WC-like geometry. This thesis utilizes nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy and rotating frame relaxation dispersion (R1ρ RD) in combination with density functional theory (DFT), biochemical assays, and targeted chemical perturbations to show that (i) dG•dT mismatches in DNA duplexes, as well as rG•rU mismatches RNA duplexes and non-coding RNAs, transiently adopt a WC-like geometry that is stabilized by (ii) an interconnected network of rapidly interconverting rare tautomers and anionic bases. These results support Watson and Crick’s tautomer hypothesis, but additionally support subsequent hypotheses invoking anionic mismatches and ultimately tie them together. This dissertation shows that a common mismatch can adopt a Watson-Crick-like geometry globally, in both DNA and RNA, and whose geometry is stabilized by a kinetically linked network of rare tautomeric and anionic bases. The studies herein also provide compelling evidence for their involvement in spontaneous replication and translation errors.

The function of the Saccharomyces Cerevisiae ribonucleotide reductase second [beta] subunit in DNA repair

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Effects of physical exercise training in DNA damage and repair activity in humans with different genetic polymorphisms ofhOGG1(Ser326Cys)

The main purpose of this pilot study was to investigate the possible influence of genetic polymorphisms of the hOGG1 (Ser326Cys) gene in DNA damage and repair activity by 8-oxoguanine DNA glycosylase 1 (OGG1 enzyme) in response to 16 weeks of combined physical exercise training. Thirty-two healthy Caucasian men (40-74 years old) were enrolled in this study. All the subjects were submitted to a training of 16 weeks of combined physical exercise. The subjects with Ser/Ser genotype were considered as wild-type group (WTG), and Ser/Cys and Cys/Cys genotype were analysed together as mutant group (MG). We used comet assay in conjunction with formamidopyrimidine DNA glycoslyase (FPG) to analyse both strand breaks and FPG-sensitive sites. DNA repair activity were also analysed with the comet assay technique. Our results showed no differences between DNA damage (both strand breaks and FPG-sensitive sites) and repair activity (OGG1) between genotype groups (in the pre-training condition). Regarding the possible influence of genotype in the response to 16 weeks of physical exercise training, the results revealed a decrease in DNA strand breaks in both groups, a decrease in FPG-sensitive sites and an increase in total antioxidant capacity in the WTG, but no changes were found in MG. No significant changes in DNA repair activity was observed in both genotype groups with physical exercise training. This preliminary study suggests the possibility of different responses in DNA damage to the physical exercise training, considering the hOGG1 Ser326Cys polymorphism.

Influence of diet on oxidative DNA damage, uracil misincorporation and DNA repair capability

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

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

Characterization of uracil-DNA glycosylase activity from Trypanosoma cruzi and its stimulation by AP endonuclease

The intracellular pathogen Trypanosoma cruzi is the etiological agent of Chagas’ disease. We have isolated a full-length cDNA encoding uracil-DNA glycosylase (UDGase), a key enzyme involved in DNA repair, from this organism. The deduced protein sequence is highly conserved at the C-terminus of the molecule and shares key residues involved in binding or catalysis with most of the UDGases described so far, while the N-terminal part is highly variable. The gene is single copy and is located on a chromosome of ∼1.9 Mb. A His-tagged recombinant protein was overexpressed, purified and used to raise polyclonal antibodies. Western blot analysis revealed the existence of a single UDGase species in parasite extracts. Using a specific ethidium bromide fluorescence assay, recombinant T.cruzi UDGase was shown to specifically excise uracil from DNA. The addition of both Leishmania major AP endonuclease and exonuclease III, the major AP endonuclease from Escherichia coli, produces stimulation of UDGase activity. This activation is specific for AP endonuclease and suggests functional communication between the two enzymes.

Genome analysis of DNA repair genes in the alpha proteobacterium Caulobacter crescentus

Abstract Background The integrity of DNA molecules is fundamental for maintaining life. The DNA repair proteins protect organisms against genetic damage, by removal of DNA lesions or helping to tolerate them. DNA repair genes are best known from the gamma-proteobacterium Escherichia coli, which is the most understood bacterial model. However, genome sequencing raises questions regarding uniformity and ubiquity of these DNA repair genes and pathways, reinforcing the need for identifying genes and proteins, which may respond to DNA damage in other bacteria. Results In this study, we employed a bioinformatic approach, to analyse and describe the open reading frames potentially related to DNA repair from the genome of the alpha-proteobacterium Caulobacter crescentus. This was performed by comparison with known DNA repair related genes found in public databases. As expected, although C. crescentus and E. coli bacteria belong to separate phylogenetic groups, many of their DNA repair genes are very similar. However, some important DNA repair genes are absent in the C. crescentus genome and other interesting functionally related gene duplications are present, which do not occur in E. coli. These include DNA ligases, exonuclease III (xthA), endonuclease III (nth), O6-methylguanine-DNA methyltransferase (ada gene), photolyase-like genes, and uracil-DNA-glycosylases. On the other hand, the genes imuA and imuB, which are involved in DNA damage induced mutagenesis, have recently been described in C. crescentus, but are absent in E. coli. Particularly interesting are the potential atypical phylogeny of one of the photolyase genes in alpha-proteobacteria, indicating an origin by horizontal transfer, and the duplication of the Ada orthologs, which have diverse structural configurations, including one that is still unique for C. crescentus. Conclusion The absence and the presence of certain genes are discussed and predictions are made considering the particular aspects of the C. crescentus among other known DNA repair pathways. The observed differences enlarge what is known for DNA repair in the Bacterial world, and provide a useful framework for further experimental studies in this organism.

Bedeutung endogener Faktoren für Steady-State-Level und Reparatur oxidativer DNA-Modifikationen in Säugerzellen

Die endogene Bildung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) - wie beispielsweise Hydroxyl-Radikale, Superoxid-Radikalanionen, Wasserstoffperoxid und Singulett-Sauerstoff - bei essentiellen Stoffwechselreaktionen in allen aeroben Lebewesen stellt eine potentielle Gefahr für die Integrität der DNA in jeder Zelle dar. ROS generieren in der DNA unter anderem oxidative DNA-Modifikationen (zum größten Teil wahrscheinlich 8-Hydroxyguanin (8-oxoG)), welche wiederum zu einem Teil zu Mutationen führen.In dieser Arbeit wurden Untersuchungen vorgenommen, in welchem Ausmaß zum einen die Steady-State-Level oxidativer DNA-Schäden in Säugerzellen zum anderen die Reparaturgeschwindig-keiten solcher DNA-Modifikationen durch verschiedene endogene Faktoren beeinflußt werden.Im Mittelpunkt der Arbeit stand dabei die Charakterisierung der 8-Hydroxyguaninglykosylase der Säugerzellen. Sie ist das Produkt des OGG1-Gens, das erst 1997 kloniert wurde. In transfizierten Zellinien konnte durch eine konstitutive Überexpression des menschlichen OGG1-Gens demonstriert werden, daß die Reparatur von induzierten oxidativen Basenmodifikationen bis zu dreifach beschleunigt wird und daß eine Korrelation zwischen dem Grad der Überexpression und der Reparaturrate besteht. Dagegen waren die Steady-State-Level der oxidativen DNA-Schäden durch die Überexpression unbeeinflußt. Sowohl bei den spontanen Mutationsraten als auch bei den durch oxidative Schädigungen induzierten Mutationsfrequenzen konnte keine Erniedrigung bedingt durch die hOGG1-Überexpression beobachtet werden.Weitere Untersuchungen zur Bedeutung von Ogg1-Protein konnten in Mäusezellen durchgeführt werden, in denen das OGG1-homologe Mäusegen, mOGG1, homozygot inaktiviert (mOGG1(-/-)) worden war. Hierbei konnte gezeigt werden, daß in den mOGG1-defizienten Zellen im Vergleich zu den entsprechenden Wildtyp-Zellen (mOGG1(+/+)) eine Reparatur induzierter oxidativer Basenmodifikationen erst nach 8 h einsetzt, während in den Kontrollzellen schon nach 3-4 h 50 % der Modifikationen repariert waren. Die Steady-State-Level oxidativer Modifikationen in mOGG1(-/-)-Zellen waren in immortalisierten, schnell proliferierenden Mäusefibroblasten nur um den Faktor 1.4, in primären Mäusehepatocyten jedoch um den Faktor 2.5 gegenüber den Wildtyp-Zellen erhöht.Inwieweit das menschliche Reparaturprotein Xrcc1 (X-ray repair cross complementing group 1) auch an der Prozessierung oxidativer DNA-Modifikationen beteiligt ist, und ob dabei möglicherweise eine Interaktion mit Ogg1 vorliegt, wurde in der XRCC1-defizienten CHO-Zellinie EM9 untersucht. Dabei wurde ermittelt, daß weder die Steady-State-Level noch die Reparaturkinetiken der oxidativen Basenmodifikationen durch die XRCC1-Defizienz beeinflußt werden. Aufgrund weiterer Ergebnisse kann jedoch nicht ausgeschlossen werden, daß das Xrcc1-Protein zumindest am Ligationsschritt während der Reparatur oxidativer DNA-Schäden beteiligt ist.In einem weiteren Schwerpunkt der Arbeit wurde untersucht, ob Unterschiede im Steady-State-Level in Abhängigkeit von Organ-, Gewebe- und Zelltyp auftreten. Dazu wurden Untersuchungen in Bronchialkarzinom-Zellinien verschiedener Subtypen durchgeführt. Des weiteren wurde zur Frage der Zelltyp-Abhängigkeit in der menschlichen Zellinie HL60 der Einfluß des Zelldifferenzierungsstadiums auf die Steady-State-Level untersucht.

Endogene DNA-Schädigung als Ursache genetischer Instabilität

Zusammenfassung Diese Arbeit beschreibt Untersuchungen über die zellulären Mechanismen, die zur Bildung dieser DNA-Schäden führen, sowie über die biologischen Auswirkungen dieser Schäden. Die Untersuchungen zu Uracil in der DNA wurden in ung-knockout-MEFs und Mäusen durchgeführt, die es erlauben, die Konsequenzen eines Ausfalls der wichtigsten Reparaturglykosylase für Uracil zu beleuchten. Die Ergebnisse zeigen eine deutliche Akkumulation von Uracil in den ung-/--Mausfibroblasten im Vergleich zum Wildtyp. In frisch isolierten Leber- und Milzzellen der Mäuse konnte dieser genotypspezifische Unterschied, wenn auch weniger ausgeprägt, ebenso beobachtet werden, nicht jedoch in reifen Spermien. Dieser gewebespezifische Unterschied und die quantitativ stärker ausgeprägte Akkumulation in ung-/--Mausfibroblasten im Vergleich zu den Mäusegeweben gab Anlass zur Vermutung, dass die Proliferation der Zellen für den Haupteintrag an Uracil in die DNA verantwortlich ist. Erstmals konnte in Versuche mit konfluenten (nicht mehr proliferierenden) ung-/--Mausfibroblasten gezeigt werden, dass nicht die spontane hydrolytische Desaminierung von Cytosin, sondern der Fehleinbau von dUMP während der DNA-Replikation die Hauptquelle für Uracil in der DNA von Säugerzellen darstellt. Da der Uracilmetabolismus ein wichtiges Target in der Chemotherapie ist, lag es nahe, das zur Verfügung stehende ung-knockout-Modell der MEFs zur Untersuchung mit Fluorpyrimidinen, die als Zytostatika verwendet werden, einzusetzen. Da bisher die Ursachen der beobachteten Apoptose der Tumorzellen und aller anderen metabolisch hochaktiven Zellen eines behandelten Organismus noch nicht vollständig verstanden ist, wurden diese Zellen mit verschiedenen Fluorpyrimidinen behandelt, die als Thymidylatsynthasehemmer die de novo Synthese von Thymidin unterbinden. Es konnte gezeigt werden, dass ung-/- Mausfibroblasten, im Gegensatz zu ung+/+ Mausfibroblasten, verstärkt Uracil in der DNA akkumulieren. Obwohl die ung+/+ Mausfibroblasten keine erhöhten Uracil-Spiegel in der DNA aufwiesen, zeigten sie bei Inkubation mit einem der beiden Thymidylatsynthasehemmern, 5-Fluoruracil (5-FU), die gleiche Sensitivität in einem nachfolgenden Proliferationsversuch wie die ung-/- Mausfibroblasten. Dies lässt darauf schließen, dass weder Reparatur noch Einbau von Uracil in die DNA für die beobachtete Toxizität dieser Zytostatika notwendig sind. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit war die Untersuchung des DNA-schädigenden Potenzials endogener ROS, die aus dem Fremdstoffmetabolismus stammen. Dazu wurden V79-Zellen verwendet, die mit dem humanen Enzym Cytochrom 2E1 (CYP2E1) transfiziert wurden (V79 CYP2E1) sowie Zellen, die ebenfalls durch Transfektion das humane Enzym Cytochromreduktase (auch Oxidoreduktase genannt) überexprimieren (V79 hOR). Beide Enzyme sind zusammen an der Hydroxylierung von Fremdstoffen beteiligt, bei der die Reduktion von molekularem Sauerstoff durch Übertragung von zwei Elektronen notwendig ist. Wird anstatt zweier Elektronen in Folge nur eines auf den Sauerstoff übertragen, so führt dieser von der Substratoxygenierung enkoppelte Vorgang zur Bildung von Superoxid. Daher galt es zu klären, ob das so erzeugte Superoxid und daraus gebildete ROS in der Lage sind, die DNA zu schädigen. Es konnte gezeigt werden, dass die Überexpression von CYP2E1 nicht zu einem erhöhten basalen Gleichgewichtsspiegel oxidativer DNA-Schäden führt und die Metabolisierung von Ethanol durch dieses Enzym ebenfalls keine DNA-Modifikationen verursacht. Die Überexpression der Cytochromreduktase hingegen führte gegenüber dem Wildtyp zu einem erhöhten basalen Gleichgewichtsspiegel oxidativer Basenmodifikationen nach Depletion von Glutathion, einem wichtigen zellulären Antioxidans. Im Mikrokerntest, der gentoxische Ereignisse wie Chromosomenbrüche in Zellen aufzeigt, zeigte sich schon ohne Glutathion-Depletion eine doppelt so hohe Mikrokernrate im Vergleich zum Wildtyp. In weiteren Versuchen wurden die V79-hOR-Zellen mit dem chinoiden Redoxcycler Durochinon inkubiert, um zu untersuchen, ob das vermutlich durch die Reduktase vermittelte Redoxcycling über Generierung von ROS in der Lage ist, einen oxidativen DNA-Schaden und Toxizität zu verursachen. Hier zeigte sich, dass die Überexpression der Reduktase Voraussetzung für Toxizität und den beobachteten DNA-Schaden ist. Die Wildtyp-Zellen zeigten weder einen DNA-Schaden noch Zytotoxizität, auch eine zusätzliche Glutathion-Depletion änderte nichts an dem Befund. Die V79-hOR-Zellen hingegen reagierten auf die Inkubation mit Durochinon mit einer konzentrationsabhängigen Zunahme der Einzelstrangbrüche und oxidativen Basenmodifikationen, wobei sich der DNA-Schaden durch vorherige Glutathion-Depletion verdoppeln ließ.