10 resultados para Decatenation


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Topoisomerases (topos) maintain DNA topology and influence DNA transaction processes by catalysing relaxation, supercoiling and decatenation reactions. In the cellular milieu, division of labour between different topos ensures topological homeostasis and control of central processes. In Escherichia coli, DNA gyrase is the principal enzyme that carries out negative supercoiling, while topo IV catalyses decatenation, relaxation and unknotting. DNA gyrase apparently has the daunting task of undertaking both the enzyme functions in mycobacteria, where topo IV is absent. We have shown previously that mycobacterial DNA gyrase is an efficient decatenase. Here, we demonstrate that the strong decatenation property of the enzyme is due to its ability to capture two DNA segments in trans. Topo IV, a strong dedicated decatenase of E. coli, also captures two distinct DNA molecules in a similar manner. In contrast, E. coli DNA gyrase, which is a poor decatenase, does not appear to be able to hold two different DNA molecules in a stable complex. The binding of a second DNA molecule to GyrB/ParE is inhibited by ATP and the non-hydrolysable analogue, AMPPNP, and by the substitution of a prominent positively charged residue in the GyrB N-terminal cavity, suggesting that this binding represents a potential T-segment positioned in the cavity. Thus, after the GyrA/ParC mediated initial DNA capture, GyrB/ParE would bind efficiently to a second DNA in trans to form a T-segment prior to nucleotide binding and closure of the gate during decatenation.

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As part of an anti-cancer natural product drug discovery program, we recently identified eusynstyelamide B (EB), which displayed cytotoxicity against MDA-MB-231 breast cancer cells (IC50 = 5 μM) and induced apoptosis. Here, we investigated the mechanism of action of EB in cancer cell lines of the prostate (LNCaP) and breast (MDA-MB-231). EB inhibited cell growth (IC50 = 5 μM) and induced a G2 cell cycle arrest, as shown by a significant increase in the G2/M cell population in the absence of elevated levels of the mitotic marker phospho-histone H3. In contrast to MDA-MB-231 cells, EB did not induce cell death in LNCaP cells when treated for up to 10 days. Transcript profiling and Ingenuity Pathway Analysis suggested that EB activated DNA damage pathways in LNCaP cells. Consistent with this, CHK2 phosphorylation was increased, p21CIP1/WAF1 was up-regulated and CDC2 expression strongly reduced by EB. Importantly, EB caused DNA double-strand breaks, yet did not directly interact with DNA. Analysis of topoisomerase II-mediated decatenation discovered that EB is a novel topoisomerase II poison.

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A number of studies in yeast have shown that DNA topoisomerase TI is essential for chromosome condensation and disjunction during mitosis at the metaphase/anaphase transition and meiosis I. Accordingly, kinetic and mechanistic studies have implied a role for topoisomerase rr in chromosome disjunction. As a step toward understanding the nature and role of topoisomerase II in a mammalian germline in vivo, we have purified topoisomerase II from rat testis to homogeneity and ascertained several of its catalytic activities in conjunction with that of the purified enzyme from liver. The purified enzymes appeared to be monomers under denaturing conditions; however, they differed in their relative molecular mass. Topoisomerase II from testis and liver have apparent molecular masses of 150 +/- 10 kDa and 160 +/- 10 kDa, respectively. The native molecular mass of testis topoisomerase II as assayed by immunoblot analysis of cell-foe extracts, prepared in the presence of SDS and a number of protease inhibitors, corroborated with the size of the purified enzyme. Both enzymes are able to promote decatenation and relax supercoiled DNA substrates in an ATP and Mg2+-dependent manner. However, quantitative comparison of catalytic properties of topoisomerase II from testis with that of the enzyme from liver displayed significant differences in their efficiencies. Optimal pH values for testis enzyme are 6.5 to 8.5 while they are 6 to 7.5 for the liver enzyme. Intriguingly, the relaxation activity of liver topoisomerase II was inhibited by potassium glutamate at 1 M, whereas testis enzyme required about half its concentration. These findings argue that topoisomerase II from rat testis is structurally distinct from that of its somatic form and the functional differences between the two enzymes parallels with the physiological environment that is unique to these two tissues.

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This thesis describes work carried out on the synthesis of novel 5- and 11-substituted ellipticines and derivatives of the ellipticine analogues, isoellipticine and deazaellipticine, followed by investigation of their potential as anti-cancer agents. Preparation of the key 5- and 11-substituted ellipticine targets involved the development of regiospecific, sequential alkylation reactions with alkenyllithium and Grignard reagents. Investigation of these novel reactions resulted in a new route towards 5-substituted ellipticines via Grignard reaction with vinylmagnesium bromide. These novel 5-vinylellipticine derivatives were further functionalised in an ozonolysis reaction, followed by oxidation to give a range of novel 5-substituted ellipticines. Less success was encountered in the 11-substituted ellipticine series, however preparation of these derivatives using a previously published route was accomplished, and the resulting 11-formylellipticine was further derivatised to give a panel of novel 9- and 11-substituted ellipticines, incorporating amide, carboxylate, imine and amine functionality. The successful route towards 5-substituted ellipticines was applied to the preparation of a range of novel 11-substituted isoellipticines and 6-substituted deazaellipticines, the first time substantial synthesis has been undertaken with these analogues. In addition to this, the first preparation of isoellipticinium salts is described, and a panel of novel isoellipticinium, 7 formylisoellipticinium and 7-hydroxyisoellipticinium salts were synthesised in good yields. Biological evaluation of a panel of 43 novel ellipticine, isoellipticine and deazaellipticine derivatives was accomplished with a topoisomerase II decatenation assay and submission to the NCI 60-cell line screen. Four novel isoellipticine topoisomerase II inhibitors were identified from the decatenation assay, with strong activity at 10 μM. In addition to this, NCI screening identified five highly cytotoxic ellipticine and isoellipticine compounds with remarkable selectivity profiles for different cancer types. These novel lead compounds represent new templates for further research and synthesis.

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Les topoisomérases I (topA) et III (topB) sont les deux topoisomérases (topos) de type IA d’Escherichia coli. La fonction principale de la topo I est la relaxation de l’excès de surenroulement négatif, tandis que peu d’information est disponible sur le rôle de la topo III. Les cellules pour lesquelles les deux topoisomérases de type IA sont manquantes souffrent d’une croissance difficile ainsi que de défauts de ségrégation sévères. Nous démontrons que ces problèmes sont majoritairement attribuables à des mutations dans la gyrase qui empêchent l’accumulation d’excès de surenroulement négatif chez les mutants sans topA. L’augmentation de l’activité de la gyrase réalisée par le remplacement de l’allèle gyrB(Ts) par le gène de type sauvage ou par l’exposition des souches gyrB(Ts) à une température permissive, permet la correction significative de la croissance et de la ségrégation des cellules topos de type IA. Nous démontrons également que les mutants topB sont hypersensibles à l’inhibition de la gyrase par la novobiocine. La réplication non-régulée en l’absence de topA et de rnhA (RNase HI) augmente la nécessité de l’activité de la topoisomérase III. De plus, en l’absence de topA et de rnhA, la surproduction de la topoisomérase III permet de réduire la dégradation importante d’ADN qui est observée en l’absence de recA (RecA). Nous proposons un rôle pour la topoisomérase III dans la ségrégation des chromosomes lorsque l’activité de la gyrase n’est pas optimale, par la réduction des collisions fourches de réplication s’observant particulièrement en l’absence de la topo I et de la RNase HI.

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Le surenroulement de l’ADN est important pour tous les processus cellulaires qui requièrent la séparation des brins de l’ADN. Il est régulé par l’activité enzymatique des topoisomérases. La gyrase (gyrA et gyrB) utilise l’ATP pour introduire des supertours négatifs dans l’ADN, alors que la topoisomérase I (topA) et la topoisomérase IV (parC et parE) les éliminent. Les cellules déficientes pour la topoisomérase I sont viables si elles ont des mutations compensatoires dans un des gènes codant pour une sous-unité de la gyrase. Ces mutations réduisent le niveau de surenroulement négatif du chromosome et permettent la croissance bactérienne. Une de ces mutations engendre la production d'une gyrase thermosensible. L’activité de surenroulement de la gyrase en absence de la topoisomérase I cause l’accumulation d’ADN hyper-surenroulé négativement à cause de la formation de R-loops. La surproduction de la RNase HI (rnhA), une enzyme qui dégrade l’ARN des R-loops, permet de prévenir l’accumulation d’un excès de surenroulement négatif. En absence de RNase HI, des R-loops sont aussi formés et peuvent être utilisés pour déclencher la réplication de l’ADN indépendamment du système normal oriC/DnaA, un phénomène connu sous le nom de « constitutive stable DNA replication » (cSDR). Pour mieux comprendre le lien entre la formation de R-loops et l’excès de surenroulement négatif, nous avons construit un mutant conditionnel topA rnhA gyrB(Ts) avec l’expression inductible de la RNase HI à partir d’un plasmide. Nous avons trouvé que l’ADN des cellules de ce mutant était excessivement relâché au lieu d'être hypersurenroulé négativement en conditions de pénurie de RNase HI. La relaxation de l’ADN a été montrée comme étant indépendante de l'activité de la topoisomérase IV. Les cellules du triple mutant topA rnhA gyrB(Ts) forment de très longs filaments remplis d’ADN, montrant ainsi un défaut de ségrégation des chromosomes. La surproduction de la topoisomérase III (topB), une enzyme qui peut effectuer la décaténation de l’ADN, a corrigé les problèmes de ségrégation sans toutefois restaurer le niveau de surenroulement de l’ADN. Nous avons constaté que des extraits protéiques du mutant topA rnhA gyrB(Ts) pouvaient inhiber l’activité de surenroulement négatif de la gyrase dans des extraits d’une souche sauvage, suggérant ainsi que la pénurie de RNase HI avait déclenché une réponse cellulaire d’inhibition de cette activité de la gyrase. De plus, des expériences in vivo et in vitro ont montré qu’en absence de RNase HI, l’activité ATP-dépendante de surenroulement négatif de la gyrase était inhibée, alors que l’activité ATP-indépendante de cette enzyme demeurait intacte. Des suppresseurs extragéniques du défaut de croissance du triple mutant topA rnhA gyrB(Ts) qui corrigent également les problèmes de surenroulement et de ségrégation des chromosomes ont pour la plupart été cartographiés dans des gènes impliqués dans la réplication de l’ADN, le métabolisme des R-loops, ou la formation de fimbriae. La deuxième partie de ce projet avait pour but de comprendre les rôles des topoisomérases de type IA (topoisomérase I et topoisomérase III) dans la ségrégation et la stabilité du génome de Escherichia coli. Pour étudier ces rôles, nous avons utilisé des approches de génétique combinées avec la cytométrie en flux, l’analyse de type Western blot et la microscopie. Nous avons constaté que le phénotype Par- et les défauts de ségrégation des chromosomes d’un mutant gyrB(Ts) avaient été corrigés en inactivant topA, mais uniquement en présence du gène topB. En outre, nous avons démontré que la surproduction de la topoisomérase III pouvait corriger le phénotype Par- du mutant gyrB(Ts) sans toutefois corriger les défauts de croissance de ce dernier. La surproduction de topoisomérase IV, enzyme responsable de la décaténation des chromosomes chez E. coli, ne pouvait pas remplacer la topoisomérase III. Nos résultats suggèrent que les topoisomérases de type IA jouent un rôle important dans la ségrégation des chromosomes lorsque la gyrase est inefficace. Pour étudier le rôle des topoisomérases de type IA dans la stabilité du génome, la troisième partie du projet, nous avons utilisé des approches génétiques combinées avec des tests de « spot » et la microscopie. Nous avons constaté que les cellules déficientes en topoisomérase I avaient des défauts de ségrégation de chromosomes et de croissance liés à un excès de surenroulement négatif, et que ces défauts pouvaient être corrigés en inactivant recQ, recA ou par la surproduction de la topoisomérase III. Le suppresseur extragénique oriC15::aph isolé dans la première partie du projet pouvait également corriger ces problèmes. Les cellules déficientes en topoisomérases de type IA formaient des très longs filaments remplis d’ADN d’apparence diffuse et réparti inégalement dans la cellule. Ces phénotypes pouvaient être partiellement corrigés par la surproduction de la RNase HI ou en inactivant recA, ou encore par des suppresseurs isolés dans la première partie du projet et impliques dans le cSDR (dnaT18::aph et rne59::aph). Donc, dans E. coli, les topoisomérases de type IA jouent un rôle dans la stabilité du génome en inhibant la réplication inappropriée à partir de oriC et de R-loops, et en empêchant les défauts de ségrégation liés à la recombinaison RecA-dépendante, par leur action avec RecQ. Les travaux rapportés ici révèlent que la réplication inappropriée et dérégulée est une source majeure de l’instabilité génomique. Empêcher la réplication inappropriée permet la ségrégation des chromosomes et le maintien d’un génome stable. La RNase HI et les topoisomérases de type IA jouent un rôle majeur dans la prévention de la réplication inappropriée. La RNase HI réalise cette tâche en modulant l’activité de surenroulement ATP-dependante de la gyrase, et en empêchant la réplication à partir des R-loops. Les topoisomérases de type IA assurent le maintien de la stabilité du génome en empêchant la réplication inappropriée à partir de oriC et des R-loops et en agissant avec RecQ pour résoudre des intermédiaires de recombinaison RecA-dépendants afin de permettre la ségrégation des chromosomes.

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Previous studies have shown that the DNA repair component Metnase (SETMAR) mediates resistance to DNA damaging cancer chemotherapy. Metnase has a nuclease domain that shares homology with the Transposase family. We therefore virtually screened the tertiary Metnase structure against the 550,000 compound ChemDiv library to identify small molecules that might dock in the active site of the transposase nuclease domain of Metnase. We identified eight compounds as possible Metnase inhibitors. Interestingly, among these candidate inhibitors were quinolone antibiotics and HIV integrase inhibitors, which share common structural features. Previous reports have described possible activity of quinolones as antineoplastic agents. Therefore, we chose the quinolone ciprofloxacin for further study, based on its wide clinical availability and low toxicity. We found that ciprofloxacin inhibits the ability of Metnase to cleave DNA and inhibits Metnase-dependent DNA repair. Ciprofloxacin on its own did not induce DNA damage, but it did reduce repair of chemotherapy-induced DNA damage. Ciprofloxacin increased the sensitivity of cancer cell lines and a xenograft tumor model to clinically relevant chemotherapy. These studies provide a mechanism for the previously postulated antineoplastic activity of quinolones, and suggest that ciprofloxacin might be a simple yet effective adjunct to cancer chemotherapy. Cancer Res; 72(23); 6200-8. (C) 2012 AACR.

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Chk1 both arrests replication forks and enhances repair of DNA damage by phosphorylating downstream effectors. Although there has been a concerted effort to identify effectors of Chk1 activity, underlying mechanisms of effector action are still being identified. Metnase (also called SETMAR) is a SET and transposase domain protein that promotes both DNA double-strand break (DSB) repair and restart of stalled replication forks. In this study, we show that Metnase is phosphorylated only on Ser495 (S495) in vivo in response to DNA damage by ionizing radiation. Chk1 is the major mediator of this phosphorylation event. We had previously shown that wild-type (wt) Metnase associates with chromatin near DSBs and methylates histone H3 Lys36. Here we show that a Ser495Ala (S495A) Metnase mutant, which is not phosphorylated by Chk1, is defective in DSB-induced chromatin association. The S495A mutant also fails to enhance repair of an induced DSB when compared with wt Metnase. Interestingly, the S495A mutant demonstrated increased restart of stalled replication forks compared with wt Metnase. Thus, phosphorylation of Metnase S495 differentiates between these two functions, enhancing DSB repair and repressing replication fork restart. In summary, these data lend insight into the mechanism by which Chk1 enhances repair of DNA damage while at the same time repressing stalled replication fork restart. Oncogene (2012) 31, 4245-4254; doi:10.1038/onc.2011.586; published online 9 January 2012

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In Bacillus subtilis, parE and parC were shown to be essential genes for the segregation of replicated chromosomes. Disruption of either one of these genes resulted in failure of the nucleoid to segregate. Purified ParE and ParC proteins reconstituted to form topoisomerase IV (topo IV), which was highly proficient for ATP-dependent superhelical DNA relaxation and decatenation of interlocked DNA networks. By immunofluorescence microscopy and by directly visualizing fluorescence by using green fluorescence protein fusions, we determined that ParC is localized at the poles of the bacteria in rapidly growing cultures. The bipolar localization of ParC required functional ParE, suggesting that topo IV activity is required for the localization. ParE was found to be distributed uniformly throughout the cell. On the other hand, fluorescence microscopy showed that the GyrA and GyrB subunits of gyrase were associated with the nucleoid. Our results provide a physiologic distinction between DNA gyrase and topo IV. The subcellular localization of topo IV provides physical evidence that it may be part of the bacterial segregation machinery.

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A covalently cross-linked dimer of yeast DNA topoisomerase II was created by fusing the enzyme with the GCN4 leucine zipper followed by two glycines and a cysteine. Upon oxidation of the chimeric protein, a disulfide bond forms between the two carboxyl termini, covalently and intradimerically cross-linking the two protomers. In addition, all nine of the cysteines naturally occurring in topoisomerase II have been changed to alanines in this construct. This cross-linked, cysteine-less topoisomerase II is catalytically active in DNA duplex passage as indicated by ATP-dependent DNA supercoil relaxation and kinetoplast DNA decatenation assays. However, these experiments do not directly distinguish between a "one-gate" and a "two-gate" mechanism for the enzyme.