Applied molecular evolution of O6-benzylguanine-resistant DNA alkyltransferases in human hematopoietic cells

Applied molecular evolution is a rapidly developing technology that can be used to create and identify novel enzymes that nature has not selected. An important application of this technology is the creation of highly drug-resistant enzymes for cancer gene therapy. Seventeen O6-alkylguanine-DNA alkyltransferase (AGT) mutants highly resistant to O6-benzylguanine (BG) were identified previously by screening 8 million variants, using genetic complementation in Escherichia coli. To examine the potential of these mutants for use in humans, the sublibrary of AGT clones was introduced to human hematopoietic cells and stringently selected for resistance to killing by the combination of BG and 1,3-bis(2-chloroethyl)-1-nitrosourea. This competitive analysis between the mutants in human cells revealed three AGT mutants that conferred remarkable resistance to the combination of BG and 1,3-bis(2-chloroethyl)-1-nitrosourea. Of these, one was recovered significantly more frequently than the others. Upon further analysis, this mutant displayed a level of BG resistance in human hematopoietic cells greater than that of any previously reported mutant.

Tumor-associated mutations inO6-methylguanine DNA-methyltransferase (MGMT) reduce DNA repair functionality

MGMT is the primary vehicle for cellular removal of alkyl lesions from the O-6 position of guanine and the O-4 position of thymine. While key to the maintenance of genomic integrity, MGMT also removes damage induced by alkylating chemotherapies, inhibiting the efficacy of cancer treatment. Germline variants of human MGMT are well-characterized, but somatic variants found in tumors were, prior to this work, uncharacterized. We found that MGMT G132R, from a human esophageal tumor, and MGMT G156C, from a human colorectal cancer cell line, are unable to rescue methyltransferase-deficient Escherichia coli as well as wild type (WT) human MGMT after treatment with a methylating agent. Using pre-steady state kinetics, we biochemically characterized these variants as having a reduced rate constant. G132R binds DNA containing an O6-methylguanine lesion half as tightly as WT MGMT, while G156C has a 40-fold decrease in binding affinity for the same damaged DNA versus WT. Mammalian cells expressing either G132R or G156C are more sensitive to methylating agents than mammalian cells expressing WT MGMT. G132R is slightly resistant to O6-benzylguanine, an inhibitor of MGMT in clinical trials, while G156C is almost completely resistant to this inhibitor. The impared functionality of expressed variants G132R and G156C suggests that the presence of somatic variants of MGMT in a tumor could impact chemotherapeutic outcomes.

Synthese, Radioiodierung und Evaluierung von neuen MGMT-Inhibitoren und ihren Glucose-Konjugaten

Eine häufige Art der Chemotherapie ist die Behandlung von Tumoren mit alkylierenden oder chloralkylierenden Zytostatika, die eine Alkylierung von Guanin in der DNA verursachen. Daraus resultieren eine Blockierung der DNA-Synthese und ein Rückgang im Tumorwachstum. Das Enzym O6-Methylguanin-DNA-methyltransferase (MGMT) ist in der Lage, solche Schäden zu reparieren. Da MGMT auch in verschiedenen Tumorarten exprimiert wird, eine Tatsache, die therapeutische Effekte verringern könnte, wird zur Zeit die Gabe von Inhibitoren der MGMT, wie O6-Benzylguanin, vor der eigentlichen Chemotherapie untersucht. Um möglicher Weise die Selektivität dieser Verbindungen für Tumor- vs. gesundem Gewebe und auch die in vivo-Eigenschaften zu verbessern, wurden glycosylierte Inhibitoren vorgeschlagen. Für eine Entwicklung neuer MGMT-Inhibitoren wäre es hilfreich, die in vivo Bioverteilung in Tier und Mensch durch eine Markierung mit geeigneten Isotopen verfolgen zu können. Im Moment existiert keine Möglichkeit, den MGMT-Status eines Tumors nicht-invasiv zu visualisieren. Diese Information kann sehr wichtig für die Planung einer Chemotherapie mit alkylierenden oder chloralkylierenden Zytostatika sein. Mit Methoden wie der Positronen-Emissions-Tomographie (PET) oder der Einzel-Photonen-Emissions-Tomographie (SPECT) ist eine nicht-invasive Quantifizierung von biochemischen Prozessen prinzipiell möglich. Hierfür wurden verschiedenen MGMT-Inhibitoren bereits mit Isotopen wie Fluor-18, Kohlenstoff-11 un Iod-131 markiert, aber sie waren aus unterschiedlichen Gründen nicht geeignet. Das Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung von neuen O6-derivatisierten Guaninen, die über einen C8-Spacer an der N9-Position des Guanins mit einer Glucose-Einheit konjugiert werden sollten, geeigneten Markierungsvorläufern und Radioiodierungs-Methoden. Durch Wahl eines geeigneten Radioiodisotops für die Markierung des Restes an der O6-Position des Guanins kann die ex vivo-Bioverteilung dieser Verbindungen in tumortragenden Nacktmäusen (Iod-131) und die Untersuchung der in vivo-Verteilung (Iod-123) durchgeführt werden. Daher wurden O6-(5-Iodothenyl)- (ITG) und O6-(3-Iodbenzyl)guanin-Derivate (IBG) sowie ihre Glucose-Konjugate ITGG und IBGG synthetisiert. Von diesen inaktiven Standard-Verbindungen wurden die IC50-Werte zur MGMT bestimmt. Da sie alle im nM-Bereich lagen, schienen die Verbindungen für weitere Untersuchungen geeignet zu sein. Die Radiomarkierung der Inhibitoren mit Iod-131 bzw. Iod-123 wurde durch Umsetzung der Trialkyl-stannylierten Markierungsvorläufer mit der Chloramin T-Methode in mittleren (Iod-123) bis hohen (Iod-131) radiochemischen Ausbeuten und mit hohen radiochemischen Reinheiten durchgeführt. Mit den 131I-iodierten Verbindungen wurde die spezifische Bindung zur MGMT nachgewiesen, eine Eigenschaft, die essentiell für eine weitere Verwendung dieser Derivate ist. Sie wurden auch zur Bestimmung der ex vivo-Tumor- und Organverteilung in tumortragenden Nacktmäusen (MEX(+), MEX(-), Glioblastom) verwendet. In allen Fällen war die Tumoraufnahme der nicht-konjugierten Guanin-Derivate höher als die der entsprechenden Glucose-Konjugate. Das Tumor-Blut-Verhältnis, das sehr wichtig für einen potentiellen Einsatz der Verbindungen als Tracer des MGMT-Status eines Tumors ist, variierte abhängig von der Kinetik. Zu allen Zeitpunkten war die in vivo-Deiodierung der Glucose-Konjugate deutlich geringer als die von ITG oder IBG. Unter Verwendung von [131I]IBG und [131I]IBGG wurde die Biodistribution nach Inhibition der Natrium-abhängigen Glucose-Transporter, die zumindests teilweise für die Aufnahme der MGMT-Inhibitoren in Zellen verantwortlich sind, durch Phloretin untersucht. Einen Unterschied in der Tumoraufnahme zwischen den mit Phloretin behandelten und den unbehandelten Mäusen konnte nicht beobachtet werden, wahrscheinlich weil die Akkumulation im Tumor generell niedrig war. Mit den 123I-iodierten Verbindungen [123I]IBG und [123I]IBGG wurden in vivo-Scans an tumortragenden Nacktmäusen (MEX(+), MEX(-)) mit einer Kleintier-SPECT-Kamera durchgeführt. In beiden Fällen wurde eine geringe Akkumulation in den Tumoren im Vergleich zu anderen Organen beobachtet, was die ex vivo-Biodistributionsdaten bestätigte.

Processing of O 6 - methylguanine in mammalian cells

DNA methylating compounds are widely used as anti-cancer chemotherapeutics. The pharmaceutical critical DNA lesion induced by these drugs is O6-methylguanine (O6MeG). O6MeG is highly mutagenic and genotoxic, by triggering apoptosis. Despite the potency of O6MeG to induce cell death, the mechanism of O6MeG induced toxicity is still poorly understood. Comparing the response of mouse fibroblasts wild-type (wt) and deficient for ataxia telangiectasia mutant protein (ATM), a kinase responsible for both the recognition and the signalling of DNA double-strand breaks (DSBs), it was shown that ATM deficient cells are more sensitive to the methylating agents N-methyl-N’-nitro-N-nitrosoguanidine (MNNG), methyl methansulfonate (MMS) and the anti-cancer drug temozolomide, in both colony formation and apoptosis assays. This clearly shows that DSBs are involved in O6MeG toxicity. By inactivating the O6MeG repair enzyme O6-methylguanine-DNA methyltransferase (MGMT) with the specific inhibitor O6-benzylguanine (O6BG), ATM wt and deficient cells became more sensitive to MNNG and MMS. The opposite effect was observed when over-expressing MGMT in ATM -/- cells. The results show that O6MeG is the critical DNA lesion causing death in ATM cells following MNNG treatment, and is partially responsible for the toxicity observed following MMS treatment. Furthermore, by inhibiting the ATM kinase activity with caffeine, it was shown that the resistance of wt cells to MNNG was due to the kinase activity of ATM, as wt cells underwent more apoptosis following methylating agent treatment in the presence of caffeine. Apoptosis and caspase-3 activation were late events, starting 48h after treatment. This lends support to the model where O6MeG lesions are converted into DSBs during replication. As ATM wt and deficient cells showed similar G2/M blockage and Chk1 activation following MNNG and MMS treatment, it was concluded that the protective effect of ATM is not due to cell cycle progression control. The hypersensitivity of ATM deficient cells was accompanied by their inability to activate the anti-apoptotic NFkB pathway. In a second part of this study, it was shown that the inflammatory cytokine IL-1 up-regulates the DNA repair gene apurinic endonuclease 2 (APEX2). Up-regulation of APEX2 occurred by transcriptional regulation as it was abrogated by actinomycin D. APEX2 mRNA accumulation was accompanied by increase in APEX2 protein level. IL-1 induced APEX2 expression as well as transfection of cells with APEX2 cDNA positively correlated with a decrease in apoptosis after treatment with genotoxic agents, particularly affecting cell death after H2O2. This indicates an involvement of APEX2 in the BER pathway in cells responding to IL-1.

Alkylantien induzierte Zytotoxizität, DNA-schadensinduzierte Reparaturkapazität und Apoptoseinduktion von Immunzellen

Monozyten und Monozyten-abgeleitete Dendritische Zellen (DCs) spielen eine bedeutende Rolle im Immunsystem. Da DCs bei der Tumorabwehr mitwirken, ist es wichtig, dass Monozyten als auch DCs sich gegenüber zytotoxischen Agenzien aus der Chemotherapie wehren können. Chemotherapeutika reagieren mit der DNA, jedoch die DNA-Reparaturkapazität von Monozyten und DCs wurde noch nicht untersucht. Dazu wurde die Sensitivität in Monozyten und DCs gegenüber verschiedene genotoxische Agenzien untersucht. Dabei wurde herausgefunden, dass Monozyten sensitiv auf methylierende Agenzien (MNNG, MMS und Temozolomid) reagieren und ein verstärktes Zellsterben und Apoptoseinduktion zeigen. Im Vergleich zu weiteren Zytostatika wie Fotemustin, Mafosfamid und Cisplatin reagierten Monozyten und DCs gleich sensitiv. Diese Ergebnisse weisen auf einen Defekt in der Reparatur von DNA-Methylierungsschäden in Monozyten hin. Da die Expression des Reparaturproteins O6-Methylguanin-DNA Methyltransferase (MGMT) in Monozyten höher war als in DCs und deren Inhibierung durch O6-Benzylguanin keinen Effekt auf die Sensitivität von Monozyten hatte, wurde der Reparaturweg der Basenexzisionsreparatur untersucht. Im Vergleich zu DCs waren die Monozyten unfähig die BER durchzuführen, welche durch Einzelzellgelelektrophorese gemessen wurde. Expressionsuntersuchungen ergaben, dass in Monozyten XRCC1 und Ligase IIIα fehlen im Vergleich zu DCs, Makrophagen, hämatopoetische Stammzellen und Lymphozyten, welche diese Proteine exprimieren. Diese Ergebnisse zeigen einen spezifischen DNA-Reparaturdefekt in einer bestimmten Blutzellpopulation. Durch den BER Defekt in Monozyten kann es durch methylierende Tumorwirkstoffe während einer Chemotherapie zur Depletion und zu einer abgeschwächten Immunantwort kommen.

Glukose-konjugierte Hemmstoffe als Strategie der gezielten Hemmung des DNA-Reparaturproteins O 6 -Methylguanin-DNA-Methyltransferase in Tumorzellen und der Einfluss von ATP-binding cassette Transportern

Das DNA-Reparaturprotein O6-Methylguanin-DNA-Methyltransferase [MGMT] ist der Hauptresistenzfaktor gegenüber der zytotoxischen Wirkung von SN1-alkylierenden Zytostatika in der Tumortherapie. Die Verwendung der MGMT-Hemmstoffe O6-Benzylguanin [O6BG] und O6-(4-Bromothenyl)guanin [O6BTG] führte zu einer Sensibilisierung des Normalgewebes, was eine Dosis-Reduktion der Zytostatika erforderlich machte und die erhoffte Therapieverbesserung verhinderte. Aus diesem Grund ist eine Strategie der selektiven Hemmung des MGMT-Proteins (Targeting-Strategie) erforderlich, um die systemische Toxizität in der Kombinationsbehandlung zu reduzieren. In dieser Arbeit wurde die Anwendbarkeit der Glukose-Konjugation als Targeting-Strategie untersucht, da Tumorzellen einen erhöhten Glukoseverbrauch aufweisen und demzufolge Glukosetransporter überexprimieren. Die Glukose-Konjugate O6BG-Glu und O6BTG-Glu inhibierten MGMT in Tumorzellen und sensibilisierten die Zellen gegenüber den alkylierenden Agenzien Temozolomid [TMZ] und Lomustin [CCNU]. Des Weiteren inaktivierten die Glukose-Konjugate die MGMT-Aktivität im Tumor eines Xenograft-Mausmodells und reduzierten das Tumorwachstum nach einer TMZ-Behandlung im gleichen Ausmass wie die Inhibitoren O6BG und O6BTG. Trotzdem war auch mit den Glukose-Konjugaten keine Steigerung der Zytostatika-Dosis im Mausmodell möglich. Die Untersuchungen der Aufnahme von O6BG-Glu und O6BTG-Glu wiederlegten eine Involvierung der Glukosetransporter. Der Einsatz von spezifischen Glukosetransporter-Inhibitoren und Kompetitions-Experimenten führte zu keiner Verminderung der MGMT-Hemmung oder Aufnahme vom radioaktiven H3-O6BTG-Glu in die Zelle. Dies legt nahe, dass die Glukose-Konjugate über einen unspezifischen Mechanismus (aktiv) in die Zellen gelangen. Der Grund für eine mögliche unselektive Aufnahme könnte im hydrophoben Alkyllinker, der für die Konjugation des Glukosemoleküls verwendet wurde, begründet sein. Dies führt zur Generierung von amphipathischen Konjugaten, die eine initiale Bindung an die Plasmamembran aufweisen und eine Aufnahme über den Flip-Flop-Mechanismus (transbilayer transport) wahrscheinlich machen. Die amphipathische Molekülstruktur der Glukose-Konjugate führte zu einer Partikelbildung in wässrigen Lösungen, die eine Reduktion der Menge an aktiven Monomeren von O6BG-Glu und O6BTG-Glu bewirken, die zur Hemmung von MGMT zur Verfügung stehen. Der zweite Teil der Arbeit befasste sich mit der Rolle von ABC-Transportern hinsichtlich einer Targeting-Strategie von MGMT-Hemmstoffen. Obwohl eine hohe Expression dieser ABC-Transporter in Tumoren zur Resistenzentwicklung gegenüber Zytostatika führt, wurde ihr Einfluss auf MGMT-Hemmstoffe oder einer MGMT-Targeting-Strategie niemals untersucht. In dieser Arbeit wurde zum ersten Mal ein aktiver Efflux von MGMT-Hemmstoffen durch ABC-Transporter nachgewiesen. Die Inhibition von ABC-Transportern bewirkte eine schnellere Inaktivierung von MGMT durch die Glukose-Konjugate. Des Weiteren zeigten Kompetitions-Experimente mit den MGMT-Hemmstoffen eine verminderte Efflux-Rate von Fluoreszenzfarbstoffen, die spezifisch von ABC-Transportern exportiert werden. ABC-Transporter reduzieren die wirksame Konzentration des Hemmstoffes in der Zelle und beeinträchtigen somit die Effektivität der MGMT-Inhibition. Eine simultane Hemmung der ABC-Transporter P-glycoprotein (P-gp), multi resistance protein 1 (MRP1) and breast cancer resistance protein (BCRP) erhöhte die Effektivität der MGMT-Hemmstoffe (O6BG, O6BTG, O6BG-Glu, O6BTG-Glu) und verstärkte auf diese Weise die TMZ-induzierte Toxizität in Tumorzelllinien. Die Involvierung von ABC-Transportern in der intrazellulären Speicherung von MGMT-Hemmstoffen ist wahrscheinlich die Ursache für die beobachteten Unterschiede in der Sensibilisierung verschiedener Tumorzelllinien gegenüber Zytostatika durch das Glukose-Konjugat O6BG-Glu. Eine Strategie, den Einfluss von ABC-Transportern zu reduzieren und zukünftliche MGMT-Targeting-Strategien effizienter umzusetzen, ist die Verwendung von O6BTG als Ausgangssubstanz. Die höhere Inhibitionsfähigkeit der Bromthiophenmoleküle vermindert die erforderliche intrazelluläre Konzentration für eine vollständige MGMT-Hemmung und reduziert auf diese Weise den Einfluss von ABC-Transportern.

Msh2 status modulates both apoptosis and mutation frequency in the murine small intestine

Deficiency in genes involved in DNA mismatch repair increases susceptibility to cancer, particularly of the colorectal epithelium. Using Msh2 null mice, we demonstrate that this genetic defect renders normal intestinal epithelial cells susceptible to mutation in vivo at the Dlb-1 locus. Compared with wild-type mice, Msh2-deficient animals had higher basal levels of mutation and were more sensitive to the mutagenic effects of temozolomide. Experiments using Msh2-deficient cells in vitro suggest that an element of this effect is attributable to increased clonogenicity. Indeed, we show that Msh2 plays a role in the in vivo initiation of apoptosis after treatment with temozolomide, N-methyl-N′-nitro-N-nitrosoguanidine, and cisplatin. This was not influenced by the in vivo depletion of O6-alkylguanine-DNA-alkyltransferase after administration of O6-benzylguanine . By analyzing mice mutant for both Msh2 and p53, we found that the Msh2-dependent apoptotic response was primarily mediated through a p53-dependent pathway. Msh2 also was required to signal delayed p53-independent death. Taken together, these studies characterize an in vivo Msh2-dependent apoptotic response to methylating agents and raise the possibility that Msh2 deficiency may predispose to malignancy not only through failed repair of mismatch DNA lesions but also through the failure to engage apoptosis.

O6-Methylguanine Repair by O6-Alkylguanine-DNA Alkyltransferase

O6-Alkylguanine-DNA alkyltransferase (AGT) repairs O6-methylguanine (O6mG) in DNA that is known to cause Mutation and cancer. On the basis of Calculations performed using density functional theory involving the active site of AGT, a mechanism for catalytic demethylation of O6mG to guanine has been proposed. In this mechanism, roles of six amino acids, i.e., Cys145, His 146, Glu172, Tyr114, Lys165, and Ser159 in catalytic demethylation of O6mG are involved. This mechanism has three steps as follows. At the first step, Cys145 in the Cys145-water-His146-Glu172 tetrad is converted to cysteine thiolate anion while at the second step, abstraction of the Tyr114 proton by the N3 site of O6mG occurs in a barrierless manner. In the third step, abstraction of Lys165 proton by deprotonated Tyr114 and transfer of the methyl group of O6mG to the thiolate group of Cys145 anion Occur simultaneously. As AGT is a major target in cancer therapy, identification of the roles of the different amino acids in demethylation of O6mG is expected to be useful in designing efficient AGT inhibitors.

Dielectric properties of some MM′O4 and MTiM′O6 (M=Cr, Fe, Ga; M′=Nb, Ta, Sb) rutile-type oxides

We describe an investigation of the structure and dielectric properties of MM'O-4 and MTiM'O-6 rutile-type oxides for M = Cr, Fe, Ga and M' = Nb. Ta and Sb. All the oxides adopt a disordered rutile structure (P4(2)/mnm) at ambient temperature. A partial ordered trirutile-type structure is confirmed for FeTaO4 from the low temperature (17 K) neutron diffraction studies While both the MM'O-4 oxides (CrTaO4 and FeTaO4) investigated show a normal dielectric property MTiM'O-6 oxides for M = Fe, Cr and M' = Nb/Ta/Sb display a distinct relaxor/relaxor-like response. Significantly the corresponding gallium analogs, GaTiNbO6 and GaTiTaO6, do not show a relaxor response at T<500K (C) 2010 Elsevier Inc All rights reserved

Mutagenicity associated with O6-methylguanine-DNA damage and mechanism of nucleotide flipping by AGT during repair

Methylated guanine damage at O6 position (i.e. O6MG) is dangerous due to its mutagenic and carcinogenic character that often gives rise to G:C-A:T mutation. However, the reason for this mutagenicity is not known precisely and has been a matter of controversy. Further, although it is known that O6-alkylguanine-DNA alkyltransferase (AGT) repairs O6MG paired with cytosine in DNA, the complete mechanism of target recognition and repair is not known completely. All these aspects of DNA damage and repair have been addressed here by employing high level density functional theory in gas phase and aqueous medium. It is found that the actual cause of O6MG mediated mutation may arise due to the fact that DNA polymerases incorporate thymine opposite to O6MG, misreading the resulting O6MG:T complex as an A:T base pair due to their analogous binding energies and structural alignments. It is further revealed that AGT mediated nucleotide flipping occurs in two successive steps. The intercalation of the finger residue Arg 128 into the DNA double helix and its interaction with the O6MG: C base pair followed by rotation of the O6MG nucleotide are found to be crucial for the damage recognition and nucleotide flipping.

Guiding of 150 keV O6+ ions through nanocapillaries in an uncoated Al2O3 membrane: special time dependence of the transmission profile width

This paper reports that the transmission of O6+ ions with energy of 150keV through capillaries in an uncoated Al2O3 membrane was measured, and agreements with previously reported results in general angular distribution of the transmitted ions and the transmission fractions as a function of the tilt angle well fitted to Gaussian-like functions were observed. Due to using an uncoated capillary membrane, our c is larger than that using a gold-coated one with a smaller value of E-p/q, which suggests a larger equilibrium charge Q(infinity) in our experiment. The observed special width variation with time and a larger width than that using a smaller E-p/q were qualitatively explained by using mean-field classical transport theory based on a classical-trajectory Monte Carlo simulation.