DNA supercoiling and its role in DNA decatenation and unknotting.

Chromosomal and plasmid DNA molecules in bacterial cells are maintained under torsional tension and are therefore supercoiled. With the exception of extreme thermophiles, supercoiling has a negative sign, which means that the torsional tension diminishes the DNA helicity and facilitates strand separation. In consequence, negative supercoiling aids such processes as DNA replication or transcription that require global- or local-strand separation. In extreme thermophiles, DNA is positively supercoiled which protects it from thermal denaturation. While the role of DNA supercoiling connected to the control of DNA stability, is thoroughly researched and subject of many reviews, a less known role of DNA supercoiling emerges and consists of aiding DNA topoisomerases in DNA decatenation and unknotting. Although DNA catenanes are natural intermediates in the process of DNA replication of circular DNA molecules, it is necessary that they become very efficiently decatenated, as otherwise the segregation of freshly replicated DNA molecules would be blocked. DNA knots arise as by-products of topoisomerase-mediated intramolecular passages that are needed to facilitate general DNA metabolism, including DNA replication, transcription or recombination. The formed knots are, however, very harmful for cells if not removed efficiently. Here, we overview the role of DNA supercoiling in DNA unknotting and decatenation.

Generation of supercoils in nicked and gapped DNA drives DNA unknotting and postreplicative decatenation.

Due to the helical structure of DNA the process of DNA replication is topologically complex. Freshly replicated DNA molecules are catenated with each other and are frequently knotted. For proper functioning of DNA it is necessary to remove all of these entanglements. This is done by DNA topoisomerases that pass DNA segments through each other. However, it has been a riddle how DNA topoisomerases select the sites of their action. In highly crowded DNA in living cells random passages between contacting segments would only increase the extent of entanglement. Using molecular dynamics simulations we observed that in actively supercoiled DNA molecules the entanglements resulting from DNA knotting or catenation spontaneously approach sites of nicks and gaps in the DNA. Type I topoisomerases, that preferentially act at sites of nick and gaps, are thus naturally provided with DNA-DNA juxtapositions where a passage results in an error-free DNA unknotting or DNA decatenation.

Interplay of DNA supercoiling and catenation during the segregation of sister duplexes.

The discrete regulation of supercoiling, catenation and knotting by DNA topoisomerases is well documented both in vivo and in vitro, but the interplay between them is still poorly understood. Here we studied DNA catenanes of bacterial plasmids arising as a result of DNA replication in Escherichia coli cells whose topoisomerase IV activity was inhibited. We combined high-resolution two-dimensional agarose gel electrophoresis with numerical simulations in order to better understand the relationship between the negative supercoiling of DNA generated by DNA gyrase and the DNA interlinking resulting from replication of circular DNA molecules. We showed that in those replication intermediates formed in vivo, catenation and negative supercoiling compete with each other. In interlinked molecules with high catenation numbers negative supercoiling is greatly limited. However, when interlinking decreases, as required for the segregation of newly replicated sister duplexes, their negative supercoiling increases. This observation indicates that negative supercoiling plays an active role during progressive decatenation of newly replicated DNA molecules in vivo.

DNA topoisomerase inhibitors: biflavonoids from Ouratea species

Topoisomerase inhibitors are agents with anticancer activity. 7"-O-Methyl-agathisflavone (I) and amentoflavone (II) are biflavonoids and were isolated from the Brazilian plants Ouratea hexasperma and O. semiserrata, respectively. These biflavonoids and the acetyl derivative of II (IIa) are inhibitors of human DNA topoisomerases I at 200 µM, as demonstrated by the relaxation assay of supercoiled DNA, and only agathisflavone (I) at 200 µM also inhibited DNA topoisomerases II-alpha, as observed by decatenation and relaxation assays. The biflavonoids showed concentration-dependent growth inhibitory activities on Ehrlich carcinoma cells in 45-h culture, assayed by a tetrazolium method, with IC50 = 24 ± 1.4 µM for I, 26 ± 1.1 µM for II and 10 ± 0.7 µM for IIa. These biflavonoids were assayed against human K562 leukemia cells in 45-h culture, but only I showed 42% growth inhibitory activity at 90 µM. Our results suggest that biflavonoids are targets for DNA topoisomerases and their cytotoxicity is dependent on tumor cell type.

Rôle des topoisomérases de type IA dans la ségrégation des chromosomes chez Escherichia coli

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.

Genetic studies on the role of type IA DNA topoisomerases in DNA metabolism and genome maintenance in Escherichia coli

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.

Targeting the Transposase Domain of the DNA Repair Component Metnase to Enhance Chemotherapy

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.

Chk1 phosphorylation of Metnase enhances DNA repair but inhibits replication fork restart

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

Bipolar localization of Bacillus subtilis topoisomerase IV, an enzyme required for chromosome segregation

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.

Intradimerically tethered DNA topoisomerase II is catalytically active in DNA transport.

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.