TY  - THES
A1  - Xu, Wenshan
T1  - Regulation of the DNA Damage Response by the Ubiquitin System
T1  - Regulierung der DNA-Schadensreaktion durch das Ubiquitin System
N2  - DNA damage occurs frequently during normal cellular progresses or by environmental factors. To preserve the genome integrity, DNA damage response (DDR) has evolved to repair DNA and the non-properly repaired DNA induces human diseases like immune deficiency and cancer. Since a large number of proteins involved in DDR are enzymes of ubiquitin system, it is critical to investigate how the ubiquitin system regulates cellular response to DNA damage. Hereby, we reveal a novel mechanism for DDR regulation via activation of SCF ubiquitin ligase upon DNA damage.
	As an essential step for DNA damage-induced inhibition of DNA replication, Cdc25A degradation by the E3 ligase β-TrCP upon DNA damage requires the deubiquitinase Usp28. Usp28 deubiquitinates β-TrCP in response to DNA damage, thereby promotes its dimerization, which is required for its activity in substrate ubiquitination and degradation. Particularly, ubiquitination at a specific lysine on β-TrCP suppresses dimerization.
The key mediator protein of DDR, 53BP1, forms oligomers and associates with β-TrCP to inhibit its activity in unstressed cells. Upon DNA damage, 53BP1 is degraded in the nucleoplasm, which requires oligomerization and is promoted by Usp28 in a β-TrCP-dependent manner. Consequently, 53BP1 destruction releases and activates β-TrCP during DNA damage response.
Moreover, 53BP1 deletion and DNA damage promote β-TrCP dimerization and recruitment to chromatin sites that locate in the vicinity of putative replication origins. Subsequently, the chromatin-associated Cdc25A is degraded by β-TrCP at the origins. The stimulation of β-TrCP binding to the origins upon DNA damage is accompanied by unloading of Cdc45, a crucial component of pre-initiation complexes for replication. Loading of Cdc45 to origins is a key Cdk2-dependent step for DNA replication initiation, indicating that localized Cdc25A degradation by β-TrCP at origins inactivates Cdk2, thereby inhibits the initiation of DNA replication.
Collectively, this study suggests a novel mechanism for the regulation of DNA replication upon DNA damage, which involves 53BP1- and Usp28-dependent activation of the SCF(β-TrCP) ligase in Cdc25A degradation.
N2  - DNA-Schäden treten häufig in Folge zellulären Fortschrittes oder durch externe Faktoren auf. Um die Integrität des Genoms zu bewahren und DNA Schäden zu reparieren, die Ursache für viele Autoimmunkrankheiten und Krebs sind, hat sich ein durch DNA Schäden getriggertes Geflecht aus Reparaturprozessen (englisch: “DNA damage response (DDR)”) entwickelt. Hierbei ist es von großem Interesse zu verstehen, wie das Ubiquitin-Proteasom-System die zelluläre Antwort auf DNA-Schäden reguliert. Wir konnten zeigen, dass die SCF Ubiquitin Ligase β-TrCP durch geschädigte DNA aktiviert wird, was einen bisher unbekannten Mechanismus für die Regulation der DDR darstellt.
Für den grundlegenden Schritt der durch DNA Schäden ausgelösten Inhibition der DNA Replikation – der Abbau von Cdc25A durch die E3 Ligase β-TrCP – wird die Deubiquitinase Usp28 benötigt. Diese deubiquitiniert β-TrCP als Antwort auf DNA-Schäden und fördert dadurch seine Dimerisierung, die für die Substrat-Ubiquitinierung und dem anschließenden Abbau erforderlich ist.  Hierbei unterdrückt die Ubiquitinierung eines spezifischen Lysin-Rests von β-TrCP dessen Dimerisierung.  
Das Schlüsselprotein vom DDR, 53BP1, oligomerisiert und assoziiert mit β-TrCP, was seine Aktivität in gesunden Zellen inhibiert. Auf DNA-Schäden hin oligomerisiert 53BP1 und wird mit Hilfe von Usp28 abhängig von β-TrCP im Nukleoplasma abgebaut. Durch den Abbau von 53BP1 wird β-TrCP freigesetzt, aktiviert und kann auf DNA Schäden reagieren. 
Die Deletion von 53BP1 fördert die Dimerisierung von β-TrCP. Die Reparaturmaschinerie wird daraufhin an Stellen des Chromatins rekrutiert, die in der Nähe von vermeintlichen Replikationsursprüngen liegen. Chromatin-assoziiertes Cdc25A wird dann durch β-TrCP ubiquitiniert. Die Bindung von β-TrCP an die Replikationsursprünge in Folge von DNA Schädigung wird begleitet von der Freisetzung von Cdc45, das eine entscheidende Komponente des Präinitiationskomplexes darstellt. Das Beladen von Cdc45 an die Replikationsursprünge stellt eine Schlüsselfunktion der Cdc25A-abhängigen DNA Replikationsinititation dar. Gezielter Abbau von Cdc25A durch β-TrCP an den Replikationsursprüngen inaktiviert Cdk2 und inhibiert dadurch DNA Replikation.
Zusammenfassend lässt sich konstatieren, dass unsere Studien einen neuartigen Mechanismus für die Regulation der DNA Replikation auf DNA Schäden hin aufgezeigt haben, der die 53BP1- und Usp28-abhängige Aktivierung der SCF(β-TrCP) Ubiquitin Ligase im Abbau von Cdc25A beinhaltet.
KW  - DNS-Schädigung
KW  - DNS-Reparatur
KW  - Ubiquitin
KW  - DNA damage
KW  - Ubiquitin system
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-160064
ER  - 
TY  - THES
A1  - Vukicevic, Vladimir
T1  - Mechanisms of apoptosis modulation and their contribution to genomic instability in tumor cells
T1  - Mechanismen von Apostose Modulation und ihr Beitrag zur genomischen Instabilität
N2  - The concept of programmed cell death has been increasingly considered from various aspects since early 1970’s. Primarily, knowledge of apoptosis referred to morphological changes in which chromatin is condensed and increasingly fragmented, revealed as small structure in the nucleus. The membrane shrinks and the cell becomes dense as can be seen by flow cytometry. Interestingly, similar modes of cell deletion were observed in nematodes indicating that apoptosis is a highly conserved machinery. Three Caeonorhabditis elegans gene products are found to have high homology with mammalian apoptotic genes: CED-9 inhibits apoptosis and is related to bcl-2; CED-3 and CED-4 promote apoptosis and are related to caspase 9 and APAF-1. Apoptosis is not accidental death, but a highly controlled and medically important molecular process. More general terms such as ‘physiological’ or ‘regulated’ cell death cover different morphologies and sequences. Programmed suicide of cells that were subjected to toxic exogenous and endogenous stimuli plays a key role in understanding cancer development and its treatment. Apoptosis involves sequences of events that may overlap and play contradictory or antagonistic roles in cell death. Generally, the ability to trigger apoptotic processes in cancer cells would benefit an organism by keeping homeostasis intact. Programmed cell death is a regularly present mechanism, for instance, in lymphocyte recruitment in the thymus where immature lymphocytes may recognize host antigens. Therefore, such lymphocytes become apoptotic and are removed by macrophages. Removal prevents possible autoimmune diseases. Unlike apoptosis, necrosis is a passive process of cell death recognizable by membrane morphological changes and accompanied by leakage of intracellular material into intercellular space that may cause inflammation in the organism. Signals that may initiate apoptosis are generally classified into two groups: signals that launch extrinsic apoptotic pathways starting with aggregation of death receptors and intrinsic apoptotic pathways starting with disruption of intracellular homeostasis such as the release of mitochondrial factors or DNA degradation. Early in the process, apoptotic signals may lead to a broad range of signaling mechanisms such as DNA repair and assessment of DNA damage (check points). Thus, failure in any of these steps can cause a defective apoptotic response that plays a decisive role in both tumorigenesis and drug resistance in tumor treatment. More distinctly, the capability of cancer cells to go into apoptosis prevents further neoplastic changes. Generally, the purpose of this study is to investigate the balance between formation of genomic damage and induction of apoptosis under genotoxic stress. After genotoxic insult there are different possibilities for the fate of a cell (Figure 1). The genomic integrity is analyzed at cellular checkpoints, usually leading to a delay in cell cycle progression if DNA was damaged. Mutations in genes such as p53 and p21 change the cellular response to genotoxic stress and may alter the balance between apoptosis and genomic damage. However, p53 is usually mutated or not expressed in 70% of human tumors. Alterations in p53 states that reflect distinct apoptotic response upon induction of DNA damage were examined. In this study, three cell lines with distinct p53 states were used: TK6 harboring wild-type p53, WTK1 with mutated p53 and NH32 with knocked out p53. In the present work we applied different approaches to investigate the correlation between DNA damage and apoptotic responsiveness in cancer cell lines with different p53 states or in hormone responsive cell lines with over expressed bcl-2 gene. We were focused on effects caused by temporary down regulation of the p53 and Bcl-2 activity in human lymphoblastoid cell lines. In addition, we investigated the impact of estradiol-induced proliferation on apoptosis and DNA damage in stably transfected cells with bcl-2gene.
N2  - Apoptotische Ereignisse als Reaktion auf exogen induzierten gentoxischen Schaden erhält die Homeostase von Organismen durch die Entfernung betroffener Zellen. Fehler in der apoptotischen Reaktion spielen sowohl für die Tumorentstehung als auch für die Chemotherapie-Resistenz eine wichtige Rolle. Der Zweck dieser Studie war es, die Balance von Genom-Schaden, gemessen durch Mikrokern-Bildung, und der Induktion von Apoptose als Reaktion auf gentoxischen Stress zu untersuchen. Mikrokerne erscheinen als Folge unterschiedlicher Chromosomenaberrationen. Der Mikrokern-Test hat schnell an Akzeptanz gewonnen und wird inzwischen als Routine-Test für Gentoxizitätsprüfung eingesetzt. Die Hypothese war, dass die Mikrokern-Bildung umgekehrt mit dem Auftreten von Apoptose korreliert ist. In drei humanen Zelllinien mit wildtyp p53, mutiertem p53 und knock-out p53 konnten durch Behandlung mit dem gentoxischen Topoisomerase-II-Hemmer Etoposid Apoptosen induziert werden. Die dabei beobachtete Erhöhung der Mikrokern-Häufigkeit war in Zellen mit mutiertem p53 stärker ausgeprägt als in Zellen mit wildtyp p53 oder knock-out p53. Drei Vorgehensweisen wurden angewandt, um die molekularen Mechanismen zu verändern, welche die Wechselbeziehung zwischen apoptotischen Ereignissen und induziertem DNA-Schaden bestimmen. Im ersten Ansatz wurde die Apoptose vorübergehend durch Pifithrin (PFT-α), einen p53-Blocker, verhindert. So wurde der Einfluss verschiedener p53-Zustände (Wildtyp, mutiert und knock-out) auf DNA-Reparatur, den Zellzyklus und Apoptose untersucht. Der zweite Ansatz bestand aus einer vorübergehenden Transfektion mit bcl-2 Antisense Oligonukleotiden zur Reduktion der Bcl-2-Expression. Der dritte Weg war eine stabile Transfektion des bcl-2-Gens in eine estrogenrezeptorhaltigen Zelllinie. Dies ermöglichte den Einfluss von β-Estradiol-induzierter Zellproliferation zu untersuchen.
KW  - Apoptosis
KW  - DNS-Schädigung
KW  - Kleinkern
KW  - Tumorzelle
KW  - Apoptose
KW  - DNA Schaden
KW  - Micronucleus
KW  - p53
KW  - Bcl-2
KW  - Apoptosis
KW  - DNA damage
KW  - Micronuclei
KW  - p53
KW  - Bcl-2
Y1  - 2004
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-10605
ER  - 
TY  - THES
A1  - Solvie, Daniel Alexander
T1  - Molecular Mechanisms of MYC as Stress Resilience Factor
T1  - Molekulare Mechanismen von MYC als Stressresistenzfaktor
N2  - Cancer is one of the leading causes of death worldwide. The underlying tumorigenesis is driven by the accumulation of alterations in the genome, eventually disabling tumor suppressors and activating proto-oncogenes. 
The MYC family of proto-oncogenes shows a strong deregulation in the majority of tumor entities. However, the exact mechanisms that contribute to MYC-driven oncogenesis remain largely unknown. Over the past decades, the influence of the MYC protein on transcription became increasingly apparent and was thoroughly investigated. Additionally, in recent years several publications provided evidence for so far unreported functions of MYC that are independent of a mere regulation of target genes. These findings suggest an additional role of MYC in the maintenance of genomic stability and this role is strengthened by key findings presented in this thesis.

In the first part, I present data revealing a pathway that allows MYC to couple transcription elongation and DNA double-strand break repair, preventing genomic instability of MYC-driven tumor cells. This pathway is driven by a rapid transfer of the PAF1 complex from MYC onto RNAPII, a process that is mediated by HUWE1. The transfer controls MYC-dependent transcription elongation and, simultaneously, the remodeling of chromatin structure by ubiquitylation of histone H2B. These regions of open chromatin favor not only elongation but also DNA double-strand break repair. 

In the second part, I analyze the ability of MYC proteins to form multimeric structures in response to perturbation of transcription and replication. The process of multimerization is also referred to as phase transition. The observed multimeric structures are located proximal to stalled replication forks and recruit factors of the DNA-damage response and transcription termination machinery. Further, I identified the HUWE1-dependent ubiquitylation of MYC as an essential step in this phase transition. Cells lacking the ability to form multimers display genomic instability and ultimately undergo apoptosis in response to replication stress. 

Both mechanisms present MYC as a stress resilience factor under conditions that are characterized by a high level of transcriptional and replicational stress. This increased resilience ensures oncogenic proliferation.  
Therefore, targeting MYC’s ability to limit genomic instability by uncoupling transcription elongation and DNA repair or disrupting its ability to multimerize presents a therapeutic window in MYC-dependent tumors.
N2  - Tumorerkrankungen sind eine der häufigsten Todesursachen weltweit. Für die Entstehung und Entwicklung eines Tumors sind Veränderungen im Genom verantwortlich, wobei Proto-Onkogene aktiviert und Tumorsuppressorgene inaktiviert werden. 
Die MYC-Familie der Proto-Onkogene ist in der Mehrzahl der menschlichen Tumorerkrankungen stark dereguliert. Der genaue Mechanismus, der in MYC-getriebenen Tumoren eine Rolle spielt, ist aber weiterhin ungeklärt. In den letzten Jahrzehnten wurde die Funktion von MYC als Transkriptionsfaktor in den Vordergrund gestellt. Veröffentlichungen der letzten Jahre deuten zusätzlich auf mehrere, bisher unbekannte Funktionen hin, die unabhängig von einer bloßen Regulation von Zielgenen sind und auf eine zusätzliche Rolle bei der Erhaltung der genomischen Stabilität hinweisen. Diese Rolle wird durch wesentliche Ergebnisse dieser Doktorarbeit gestärkt. 

In dem ersten Teil der Doktorarbeit präsentiere ich einen Pathway, der es MYC ermöglicht, transkriptionelle Elongation und Doppelstrangbruch-Reparatur zu koppeln, wodurch genomische Instabilität in MYC-gesteuerten Tumorzellen limitiert wird. Dieser Pathway wird durch einen schnellen Transfer des PAF1-Komplexes von MYC auf die RNAPII angetrieben, bei dem HUWE1 eine essenzielle Rolle einnimmt. Der Transfer steuert die MYC-abhängige transkriptionelle Elongation und gleichzeitig die Öffnung der Chromatinstruktur. Dies geschieht durch Ubiquitylierung des Histons H2B zugunsten von sowohl transkriptioneller Elongation als auch der DNA-Doppelstrangbruchreparatur. 

In dem zweiten Teil der Doktorarbeit analysiere ich die Fähigkeit von MYC-Proteinen, als Reaktion auf eine Störung der Transkription und/oder Replikation multimere Strukturen bilden zu können. Diese Fähigkeit wird auch als Phasentrennung bezeichnet. Die multimere Strukturen befinden sich in der Nähe von blockierten Replikationsgabeln und rekrutieren Faktoren der DNA-Schadensreaktion und der Transkriptionsterminationsmaschinerie. Die HUWE1-abhängige Ubiquitylierung von MYC habe ich als wesentlichen Schritt der Phasentrennung identifiziert. Zellen ohne die Fähigkeit zur Bildung von Multimeren zeigen als Reaktion auf Replikationsstress exzessive genomische Instabilität und letztendlich Apoptose auf. 

Beide Mechanismen machen MYC zu einem Faktor, der genomische Instabilität als Resultat von unphysiologischem Transkriptions- und Replikationsstress limitiert und damit die onkogene Zellteilung gewährleistet. Eine gezielte Beeinflussung der aufgeführten Mechanismen, durch welche MYC die genomische Instabilität limitiert, kann bei MYC-abhängigen Tumoren von großem therapeutischem Nutzen sein.
KW  - MYC
KW  - Krebsforschung
KW  - DNS-Schädigung
KW  - DNS-Reparatur
KW  - Oncogenes
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-305398
ER  - 
TY  - THES
A1  - Rajaraman, Gnana Oli
T1  - Oxidative stress: Role in genomic damage and disease
T1  - Oxidativer Stress: Bedeutung für genomische Schäden und Krankheit
N2  - Bei einem Ungleichgewicht zwischen reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) und endogenen Antioxidantien (Glutathion (GSH), Superoxiddismutase (SOD), Katalase etc.) ist der oxidative Stress erhöht, was zur Oxidation von Lipiden, Proteinen und DNA führt. Obwohl auch oxidierte Lipide und Proteine mit steigendem Alter akkumulieren können, führen nur DNA-Oxidationen zu veränderter genomischer Information. Ein möglicher Signalweg für gesteigerte ROS-Produktion ist die Aktivierung des Enzyms NADPH-Oxidase (NOX) und die damit verbundene Generierung von ROS durch viele endogene und exogene Substanzen. p47phox ist ein cytosolisches Protein, das eine wichtige Rolle bei der NOX-Aktivierung spielt. Angiotensin II (Ang II) ist ein Beispiel für eine endogene Verbindung, die über NOX-Aktivierung ROS produziert. Rosuvastatin ist ein Arzneistoff mit antioxidativen Eigenschaften (Hochregulation endogener Antioxidantien). Es gehört zur Gruppe der Cholesterinsenker und reduziert ausserdem erhöhtes Auftreten des Angiotensin-II-Typ-1-Rezeptors (AT1R). Normalerweise ist oxidativer Stress im Alter und bei Alterskrankheiten (z. B. Parkinson-Krankheit) erhöht. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war, mit Hilfe unterschiedlicher Modelle in vitro und in vivo die Rolle von DNA-Schaden durch NOX-vermittelte ROS zu untersuchen und den Einfluss von ROS auf den Alterungsprozess und auf Alterskrankheiten zu bestimmen.
N2  - When there is an imbalance between reactive oxygen species (ROS) and endogenous antioxidants (glutathione (GSH), superoxide dismutase (SOD), catalase etc.) the oxidative stress is increased and results in the oxidation of lipids, proteins and DNA. Although oxidation of lipids and proteins may also accumulates with age, only DNA oxidation leads to altered genomic information. As one pathway for increased ROS production, many endogenous and exogenous substances activate NADPH oxidase (NOX) enzyme and produce ROS. p47phox is a cytosolic organizer protein which plays an important role in NOX activation. Angiotensin II (Ang II) is an example for an endogenous compound which causes ROS through NOX activation. Rosuvastatin is an example for a drug with antioxidative capacity (upregulation of endogenous antioxidants). It is a lipid lowering drug which also reduces an elevated level of angiotensin II type 1 receptor (AT1R). Commonly, oxidative stress is elevated in ageing and age related diseases (eg. Parkinson’s disease (PD)). The aim of the present study was to investigate the role of NOX derived ROS induced oxidative DNA damage and the influence of ROS in ageing and age related diseases, using different in vitro and in vivo models.
KW  - Oxidativer Stress
KW  - DNS-Schädigung
KW  - Oxidativer Stress
KW  - genomische Schäden
KW  - Oxidative stress
KW  - genomic damage
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-64869
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TY  - THES
A1  - Queisser, Nina
T1  - Oxidative and nitrosative stress induced by the mineralocorticoid aldosterone - Mechanism of induction and role of signal transduction pathways and transcription factors
T1  - Oxidativer und nitrosativer Stress induziert durch das Mineralocorticoid Aldosteron - Mechanismen der Induktion und Rolle von Signalwegen und Transkriptionsfaktoren
N2  - Several epidemiological studies found that hypertensive patients have an increased risk to develop kidney cancer. Hyperaldosteronism frequently results in arterial hypertension and contributes to the development and progression of kidney injury, with reactive oxygen species (ROS) playing an important role. ROS are thought to be associated with many pathological conditions such as cancer and other disorders, like cardiovascular complications , which often go along with hypertension. The aim of the present work was to investigate whether the effects of elevated aldosterone concentrations might be involved in the increased cancer incidence of hypertensive individuals. First, the potential capacity of aldosterone to induce oxidative stress and DNA damage was investigated in vitro and in vivo. In LLC-PK1 porcine kidney cells and MDCK canine kidney cells the significant formation of ROS, and especially of superoxide (O2˙ˉ) was assessed. With two genotoxicity tests, the comet assay and the micronucleus frequency test, the DNA damaging potential of aldosterone was quantified. In both genotoxicity tests a dose-dependent increase in aldosterone-induced structural DNA damage was observed. Oxidative stress and DNA damage were prevented by antioxidants, suggesting ROS as a major cause of DNA damage. Furthermore, the oxidatively modified DNA lesion 8-oxo-7,8-dihydro-2´-deoxyguanosine (8-oxodG), was found to be significantly elevated. In kidneys of rats with desoxycorticosterone acetate (DOCA)/salt-induced hypertension, which is a model of severe mineralocorticoid-dependent hypertension, elevated levels of ROS and superoxide were found, compared to kidneys of sham rats. Also DNA strand breaks, measured with the comet assay and double strand breaks, visualized with antibodies against the double strand break-marker gamma-H2AX were significantly elevated in kidneys of DOCA/salt-treated rats. In addition, significantly increased amounts of 8-oxodG were detected. Proliferation of kidney cells was found to be increased, which theoretically enables the DNA damage to manifest itself as mutations, since the cells divide. Second, the effects of aldosterone on the activation of transcription factors and signaling pathways were investigated. A significant activation of the potentially protective transcription factor Nrf2 was observed in LLC-PK1 cells. This activation was triggered by an increase of ROS or reactive nitrogen species (RNS). In response to oxidative stress, glutathione synthesis and detoxifying enzymes, such as the subunits of the glutathione-cysteine-ligase or heme oxygenase 1 were rapidly induced after 4 h. Nevertheless, after 24 h a decrease of glutathione levels was observed. Since ROS levels were still high after 24 h, but Nrf2 activation decreased, this adaptive survival response seems to be transient and quickly saturated and overwhelmed by ROS/RNS. Furthermore, Nrf2 activation was not sufficient to protect cells against oxidative DNA damage, because the amounts of double strand breaks and 8-oxodG lesions steadily rose up to 48 h of aldosterone treatment. The second transcription factor that was time- and dose-dependently activated by aldosterone in LLC-PK1 and MDCK cells was NF-kappaB. Furthermore, a significant cytosolic and nuclear activation of ERK was detected. Aldosterone induced the phosphorylation of the transcription factors CREB, STAT1 and STAT3 through ERK. Third, the underlying mechanisms of oxidant production, DNA damage and activation of transcription factors and signaling pathways were studied. Aldosterone exclusively acted via the MR, which was proven by the MR antagonists eplerenone, spironolactone and BR-4628, whereas the glucocorticoid receptor (GR) antagonist mifepristone did not show any effect. Furthermore, aldosterone needed cytosolic calcium to exert its negative effects. Calcium from intracellular stores and the influx of calcium across the plasma membrane was involved in aldosterone signaling. The calcium signal activated on the one hand, the prooxidant enzyme complex NAD(P)H oxidase through PKC, which subsequently caused the generation of O2˙ˉ. On the other hand, nitric oxide synthase (NOS) was activated, which in turn produced NO. NO and O2˙ˉ can react to the highly reactive species ONOO- that can damage the DNA more severely than the less reactive O2˙ˉ. In the short term, the activation of transcription factors and signaling pathways could be a protective response against aldosterone-induced oxidative stress and DNA damage. However, a long-term NF-B and ERK/CREB/STAT activation by persistently high aldosterone levels could unfold the prosurvival activity of NF-kappaB and ERK/CREB/STAT in aldosterone-exposed cells. DNA damage caused by increased ROS might become persistent and could be inherited to daughter cells, probably initiating carcinogenesis. If these events also occur in patients with hyperaldosteronism, these results suggest that aldosterone could be involved in the increased cancer incidence of hypertensive individuals.
N2  - Mehrere epidemiologische Studien haben ein erhöhtes Nierenkrebsrisko bei Patienten mit Bluthochdruck aufgedeckt. Hyperaldosteronismus führt oft zu arteriellem Bluthochdruck und trägt zur Entwicklung und zum Fortschreiten von Nierenschäden bei, wobei reaktive Sauerstoffspezies (ROS) eine wichtige Rolle spielen. Immer häufiger werden ROS mit Krankheitsbildern wie Krebs und kardiovaskulären Erkrankungen, die mit Bluthochdruck einhergehen, in Verbindung gebracht. Das Ziel dieser Arbeit war es, zu untersuchen, ob erhöhte Aldosteronkonzentrationen an dem gesteigerten Krebsrisiko von hypertensiven Patienten beteiligt sein könnten. Zunächst wurde die potentielle Kapazität von Aldosteron, oxidativen Stress und DNA-Schaden in vitro und in vivo induzieren zu können, untersucht. In der Schweine-Nierenzelllinie LLC-PK1 und der Hunde-Nierenzelllinie MDCK wurde die Entstehung von ROS und speziell die Bildung von Superoxid (O2˙ˉ) nachgewiesen. Das gentoxische Potential von Aldosteron wurde mit zwei Genotoxizitätstests, dem Comet Assay und dem Mikrokernfrequenztest bestimmt. In beiden Genotoxizitätstests konnte ein dosis-abhängiger Anstieg des strukturellen DNA-Schadens beobachtet werden. Antioxidantien konnten den oxidativen Stress und die DNA-Schäden verringern, was annehmen lässt, dass ROS die Hauptursache für die Entstehung der DNA-Schäden sind. Darüberhinaus wurden signifikant erhöhte Mengen der oxidativ modifizierten DNA Läsion 8-Oxo-7,8-dihydro-2´-deoxyguanosin (8-oxodG) gefunden. In Nieren von Ratten mit Desoxycorticosteron-Acetat (DOCA) und Salz-induziertem Bluthochdruck, ein Modell für massiven Mineralocorticoid-induzierten Bluthochdruck, wurde ebenfalls eine erhöhte Bildung von ROS und O2˙ˉ in Nieren von DOCA/Salz-Ratten im Vergleich zu Sham-Ratten beobachtet. Auch im Comet Assay erfasste DNA-Strangbrüche und Doppelstrangbrüche, die mit Hilfe von Antikörpern gegen den Doppelstrangbruchmarker gamma-H2AX sichtbar gemacht wurden, waren in den Nieren der DOCA/Salz-behandelten Ratten signifikant erhöht. Weiterhin wurden erhöhte 8-oxodG-Spiegel in DOCA/Salz-Ratten beobachtet. Auch eine erhöhte Proliferationsrate in DOCA/Salz-behandelten Ratten konnte festgestellt werden, was theoretisch dazu führen könnte, dass sich die DNA-Schäden als Mutationen manifestieren, da sich die Zellen teilen. Im zweiten Teil der Arbeit wurde der Einfluss von Aldosteron auf die Aktivierung von Transkriptionsfaktoren und Signalwegen untersucht. Zunächst konnte die Aktivierung des potentiell schützenden Transkriptionsfaktors Nrf2 in LLC-PK1 Zellen mittels electrophoretic mobility shift assay (EMSA) beobachtet werden. Diese Aktivierung wurde durch den Anstieg an ROS und reaktiven Stickstoffspezies (RNS) ausgelöst. Als Antwort auf den oxidativen Stress, wurde die Glutathion-Synthese und detoxifizierende Enzyme, wie die Untereinheiten der Glutathion-Cystein-Ligase oder Hämoxygenase 1, nach 4 Stunden rasch hochreguliert. Nichtsdestotrotz konnte nach 24 Stunden eine Abnahme des Glutathionspiegels festgestellt werden. Da die Konzentration an ROS nach 24 Stunden immer noch signifikant erhöht war, die Aktivierung von Nrf2 allerdings stark zurückgegangen ist, scheint diese adaptive Überlebensstrategie nur kurzfristig, und somit schnell durch ROS/RNS gesättigt zu sein. Weiterhin war die Aktivierung von Nrf2 nicht ausreichend, um die Zellen vor dem durch Aldosteron-induzierten DNA-Schaden zu schützen, da Doppelstrangbrüche, sowie 8-oxodG-Läsionen bei bis zu 48-stündiger Inkubation mit Aldosteron stetig anstiegen. Der zweite Transkriptionsfaktor, der zeit- und dosisabhängig durch Aldosteron aktiviert wurde, war NF-kappaB. Ausserdem wurde die cytosolische und nukleäre Aktivierung von ERK nachgewiesen. Aldosteron induzierte weiterhin die Phosphorylierung der Transkriptionsfaktoren CREB, STAT1 und STAT3 durch ERK. Im dritten Teil dieser Arbeit wurden die zugrundeliegenden Mechanismen der Entstehung von ROS/RNS, des DNA-Schadens und der Aktivierung von Transkriptionsfaktoren untersucht. Aldosteron wirkte ausschließlich über den MR, bewiesen durch Einsatz der MR-Antagonisten Eplerenon, Spironolakton und BR-4628. Der Glucocorticoid-Rezeptor-Antagonist Mifepriston zeigte dagegen keinen Effekt. Weiterhin benötigte Aldosteron cytosolisches Calcium, um seine negativen Effekte auszuüben. Es waren intrazelluäres Calcium, sowie ein Calciuminflux über die Plasmamembran am Aldosteronsignal beteiligt. Einerseits wurde der prooxidative Enzymkomplex NAD(P)H-Oxidase von Calcium durch die Proteinkinase C (PKC) aktiviert, was wiederum zur Bildung von O2˙ˉ führte. Andererseits kam es durch erhöhtes cytosolisches Calcium zur Aktivierung der NO-Synthase (NOS), welche daraufhin Stickoxid (NO) produzierte. NO und O2˙ˉ können zu dem hochreaktiven Peroxynitrit (ONOO-) reagieren, welches die DNA mehr schädigen kann als das etwas weniger reaktive O2˙ˉ. Kurzfristig könnte die Aktivierung der Transkriptionsfaktoren und Signalwege eine schützende Wirkung gegen den durch Aldosteron-induzierten oxidativen Stress und DNA-Schaden in den Zellen haben. Allerdings kann eine länger anhaltende Aktivierung von NF-kappaB und ERK/CREB/STAT durch permanent hohe Aldosteronspiegel zur Induktion einer Überlebensstrategie durch NF-kappaB und ERK/CREB/STAT in Aldosteron-exponierten Zellen führen. Der DNA-Schaden, der durch erhöhte ROS-Spiegel entsteht, könnte persistent und somit an Tochterzellen weitervererbt werden, was eventuell zur Entstehung von Krebs beitragen könnte. Falls diese Effekte auch in Patienten mit Hyperaldosteronismus gefunden werden können, dann könnte Aldosteron an der erhöhten Krebsinzidenz bei Bluthochdruck beteiligt sein.
KW  - Aldosteron
KW  - Oxidativer Stress
KW  - DNS-Schädigung
KW  - NADPH-Oxidase
KW  - Stickstoffoxidsynthase
KW  - Aldosteron
KW  - Oxidativer Stress
KW  - Nitrosativer Stress
KW  - DNA-Schaden
KW  - Transkriptionsfaktoren
KW  - aldosterone
KW  - oxidative stress
KW  - nitrosative stress
KW  - DNA damage
KW  - transcription factors
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-53566
ER  - 
TY  - THES
A1  - Mannefeld, Mirijam
T1  - Role of the human LIN complex in DNA damage induced regulation of gene expression
T1  - Die Rolle des humanen LIN Komplex in der Genregulation nach DNA Schädigung
N2  - In jeder menschlichen Zelle entstehen täglich ca. 10.000 – 150.000 endogene DNA Schäden. Eine Anhäufung dieser Läsionen kann zu genetischer Instabilität führen und dadurch zur Krebsentwicklung beitragen. Daher ist eine schnelle DNA Schadensantwort nötig, um schwerwiegende Folgen für die Zelle zu vermeiden. Da bekannt ist, dass der Multiproteinkomplex LINC (auch humaner dREAM-Komplex genannt) an der transkriptionellen Regulation mitotischer und G2-spezifischer Gene beteiligt ist, sollte in dieser Arbeit seine Beteiligung an der DNA Schadensantwort genauer untersucht werden. In der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, dass in normal wachsenden Zellen B-MYB an den LINC-Kernkomplex bindet, welcher sich aus 5 Proteinen zusammensetzt: LIN-9, LIN-54, LIN-52, LIN-37 und RbAp48. Treten DNA Schäden auf, dissoziiert B-MYB vom LINC Kernkomplex wobei gleichzeitig die Bindung von p130 und E2F4 an LINC induziert wird. Zusätzlich konnte gezeigt werden, dass der Signalweg, der die LINC Umlagerung vermittelt, sowohl p53- als auch p21-abhängig ist. p53 negative Zellen können nach Schädigung der DNA weder einen G1 Block induzieren noch einen G2 Block langfristig aufrechterhalten. Eine Erklärung für diese Schwächung des G2 Arrests liefern Daten dieser Arbeit: Da in DNA geschädigten p53 -/- Zellen keine LINC Umlagerung beobachtet werden kann und zusätzlich B-MYB verstärkt an LINC und die Zielpromotoren bindet, kommt es zu einer erhöhten G2/M Genexpression. Dies resultiert häufig in einem verfrühten Wiedereintritt in den Zellzyklus („checkpoint adaptation“). Eine Daten-Analyse primärer Brustkrebstumore zeigte außerdem, dass erhöhte B-MYB Genexpressionslevel mit einer erhöhte Rückfallgefahr und einer schlechten Prognose korrelieren, was möglicherweise auf die Funktion von B-MYB während der „checkpoint adaptation“ zurückzuführen ist. Schlussendlich lassen die Ergebnisse dieser Arbeit vermuten, dass die Hemmung der B-MYB Funktion in solchen Tumoren, die p53 Mutationen tragen, die Wahrscheinlichkeit eines Behandlungserfolges vergrößern und die Wahrscheinlichkeit eines Rückfalls senken könnte.
N2  - Around 10.000 – 150.000 endogenous DNA damage-induced lesions occur in a human body per day and cell. Accumulation of unrepaired lesions can lead to aneuploidy and the loss of genomic integrity which in turn contributes to tumor formation. Therefore, an efficient DNA damage response has to be initiated, in the end leading to cell cycle inhibition and induction of repair. Since it is known that a recently characterized human multiprotein complex named LINC (or human dREAM) together with B-MYB is involved in the regulation of G2/M gene expression (Plk1, cyclin B1, cdc2 etc.), its function in the DNA damage response was analyzed in this study. In growing cells B-MYB is associated to the LIN core complex which consists of 5 different proteins named LIN-9, LIN-54, LIN-52, LIN-37 and RbAp48. After induction of DNA damage B-MYB leaves the complex and binding of E2F4 and p130 to LINC is induced. Importantly, the upstream pathway leading to LINC rearrangement is dependent on the activation of p53 and p21. Interestingly, p53 -/- cells solely have the potential to block in the G2 phase of the cell cycle, thereby making them vulnerable for errors during G2 arrest induction or maintenance. Here I demonstrate that LINC rearrangement is absent in p53 -/- cells and that B-MYB/LINC binding to target gene promoters is increased. This in turn leads to an increased G2/M gene expression after DNA damage induction and triggers premature cell cycle re-entry (checkpoint adaptation). Significantly, B-MYB expression is increased in p53 mutated primary breast cancer tumors and correlates with poor prognosis and reoccurrence probably due to its function in checkpoint adaptation. This study gives evidence that inhibition of B-MYB gene expression or B-MYB function in p53 mutant tumors could be a good choice for adjuvant therapy.
KW  - Zellzyklus
KW  - DNS-Schädigung
KW  - Myb
KW  - Mitose
KW  - Genregulation
KW  - LIN-9
KW  - LINC
KW  - DNA-Schadensantwort
KW  - Checkpoint recovery
KW  - Checkpoint adaptation
KW  - LIN-9
KW  - LINC
KW  - DNA damage response
KW  - Checkpoint recovery
KW  - Checkpoint adaptation
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-39261
ER  - 
TY  - THES
A1  - Hofstetter, Christine
T1  - Inhibition of H3K27me-Specific Demethylase Activity During Murine ES cell Differentiation Induces DNA Damage Response
T1  - Inhibierung der H3K27me-Spezifischen Demethylase Aktivität in Murin Differenzierenden ES Zellen Induziert die DNA Schadensantwort
N2  - Stem cells are defined by their capacity to self-renew and their potential to differentiate into multiple cell lineages. Pluripotent embryonic stem (ES) cells can renew indefinitely while keeping the potential to differentiate into any of the three germ layers (ectoderm, endoderm or mesoderm). For decades, ES cells are in the focus of research because of these unique features. When ES cells differentiate they form spheroid aggregates termed “embryoid bodies” (EBs). These EBs mimic post- implantation embryonic development and therefore facilitate the understanding of developmented mechanisms.
During ES cell differentiation, de-repression or repression of genes accompanies the changes in chromatin structure. In ES cells, several mechanisms are involved in the regulation of the chromatin architecture, including post-translational modifications of histones. Post-translational histone methylation marks became one of the best- investigated epigenetic modifications, and they are essential for maintaining pluripotency. Until the first histone demethylase KDM1A was discovered in 2004 histone modifications were considered to be irreversible. Since then, a great number of histone demethylases have been identified. Their activity is linked to gene regulation as well as to stem cell self-renewal and differentiation.
KDM6A and KDM6B are H3K27me3/2-specific histone demethylases, which are known to play a central role in the regulation of posterior development by regulating HOX gene expression. So far less is known about the molecular function of KDM6A or KDM6B in undifferentiated and differentiating ES cells. In order to completely abrogate KDM6A and KDM6B demethylase activity in undifferentiated and differentiating ES cells, a specific inhibitor (GSK-J4) was employed. Treatment with GSK-J4 had no effect on the viability or proliferation on ES cells. However, in the presence of GSK-J4 ES cell differentiation was completely abrogated with cells arrested in G1-phase and an increased rate of apoptosis. Global transcriptome analyses in early-differentiating ES cells revealed that only a limited set of genes were differentially regulated in response to GSK-J4 treatment with more genes up- regulated than down-regulated. Many of the up-regulated genes are linked to DNA damage response (DDR). In agreement with this, DNA damage was found in EBs incubated with GSK-J4. A co-localization of H3K27me3 or KDM6B with γH2AX foci, marking DNA breaks, could be excluded. However, differentiating Eed knockout (KO) ES cells, which are devoid of the H3K27me3 mark, showed an attenuated GSK-J4- induced DDR. Finally, hematopoietic differentiation in the presence of GSK-J4 resulted in a reduced colony-forming potential. This leads to the conclusion that differentiation in the presence of GSK-J4 is also restricted to hematopoietic differentiation.
In conclusion, my results show that the enzymatic activity of KDM6A and KDM6B is not essential for maintaining the pluripotent state of ES cells. In contrast, the enzymatic activity of both proteins is indispensable for ES cell and hematopoietic differentiation. Additionally KDM6A and KDM6B enzymatic inhibition in differentiating ES cells leads to increased DNA damage with an activated DDR. Therefore, KDM6A and KDM6B are associated with DNA damage and in DDR in differentiating ES cells.
N2  - Stammzellen sind definiert durch ihre Fähigkeit zur Selbsterneuerung und dem Potential in multiple Zellinien zu differenzieren. Pluripotente embryonale Stammzellen (ES Zellen) können sich fortlaufend erneuern und besitzen zudem das Potential, in alle drei Keimblätter (Ektoderm, Endoderm oder Mesoderm) zu differenzieren. Auf Grund dieser einzigartigen Eigenschaften sind ES Zellen seit Jahrzehnten im Focus der Wissenschaft. Wenn ES Zellen differenzieren, sind sie in der Lage, sphäroid-förmige Aggregate zu bilden, welche als embryoide Körperchen (EBs) bezeichnet werden. In EBs finden sich Zellen aller 3 Keimblätter und daher dienen sie als in vitro Modell für frühe embryonale Entwicklung.
Während der ES Zell Differenzierung verändert die De-repression oder Repression von Genen die Struktur des Chromatins. ES Zellen besitzen eine Vielzahl von Mechanismen, die mit der Regulation des Chromatins assoziiert sind, einschließlich post-translationale Modifikationen an Histonen. Post-translationale Histon- methylierung gehören zu den am häufigsten untersuchten epigenetischen Modifikationen und spielen z.B. ein wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung der Pluripotenz. Bis zur Entdeckung der ersten Histon-Demethylase KDM1A im Jahre 2004 glaubte man, dass Modifikationen an Histonen irreversible sind. Bislang wurden jedoch eine Vielzahl an Histon-Demethylasen identifiziert, welche mit der Genregulation, sowie der Selbsterneuerung und Differenzierung von Stammzelle in Verbindung gebracht werden konnten.
KDM6A und KDM6B sind H3K27me3/2-spezifische Histon-Demethylasen, welche bei der posterioren Entwicklung durch Regulation der Hox Gene eine wichtige Rolle spielen. Bislang ist über die molekulare Funktion von KDM6A und KDM6B in nicht differenzierten und differenzierenden ES Zellen wenig bekannt. Um die KDM6A und KDM6B Demethylase Aktivität in nicht differenzierten und differenzierenden ES Zellen außer Kraft zu setzten kam ein spezifischer Inhibitor (GSK-J4) zum Einsatz. Die Behandlung mit GSK-J4 zeigte keine Auswirkungen auf die Viabilität oder Proliferation von nicht differenzierten ES Zellen. Jedoch war die Differenzierung von
ES Zellen in Gegenwart von GSK-J4 inhibiert und zeigte einen erhöhten G1-Phase Arrest sowie eine erhöhte Rate an apoptotischen Zellen. Eine globale Transkriptionsanalyse in frühen differenzierenden ES Zellen, in Gegenwart von GSK- J4 zeigte, dass lediglich eine relativ geringe Zahl von Genen differenziell reguliert war. Dabei waren mehr Gene hochreguliert als herunterreguliert. Viele der hochregulierten Gene konnten mit der DNA Schadensantwort in Verbindung gebracht werden. In Übereinstimmung damit konnte in Gegenwart von GSK-J4 in differenzierenden ES Zellen DNA Schaden nachgewiesen werden. Eine Kolokalisation von H3K27me3 oder KDM6B mit γH2AX markierten Foci, welche DNA Schaden markieren, konnte nicht nachgewiesen werden. Nichts desto trotz zeigten GSK-J4 behandelte, differenzierende Eed KO ES Zellen, welche keine H3K27me3 Modifikation besitzen, eine abgemilderte DNA Schadensantwort. In Anwesenheit von GSK-J4 konnte während der hämatopoetischen Differenzierung eine reduzierte Kolonie-Bildung beobachtet werden. Daraus lässt sich schließen, dass in Anwesenheit von GSK-J4 ebenfalls auch die hämatopoetische Differenzierung inhibiert wird.
Zusammenfassend zeigen meine Ergebnisse, dass die enzymatische Aktivität von KDM6A und KDM6B für die Aufrechterhaltung des pluripotenten Zustands nicht essenziell ist. Im Gegensatz dazu ist die enzymatische Aktivität von beiden Proteinen unabdingbar für die ES Zell sowie die hämatopoetische Differenzierung. Die enzymatische Inhibierung von KDM6A und KDM6B führt während der Differenzierung zu einem erhöhten DNA Schaden, wodurch die DNA Schadensantwort aktiviert wird. Somit sind KDM6A und KDM6B mit DNA Schaden und der DNA Schadensantwort assoziiert.
KW  - Embryonale Stammzelle
KW  - Epigenetic
KW  - Maus
KW  - Histone
KW  - Demethylierung
KW  - DNS-Schädigung
KW  - Epigenetik
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-107023
ER  - 
TY  - THES
A1  - Fazeli, Gholamreza
T1  - Signaling in the induction of genomic damage by endogenous compounds
T1  - Signalwege bei der Induktion von Genomschäden durch endogene Substanzen
N2  - Reactive oxygen species (ROS) are continuously generated in cells and are involved in physiological processes including signal transduction but also their damaging effects on biological molecules have been well described. A number of reports in the literature implicate excessive oxidative stress and/or inadequate antioxidant defense in the pathogenesis of cancer, atherosclerosis, chronic and age related disorders. Several studies have indicated that activation of the renin-angiotensin-aldosterone-system can lead to the formation of ROS. Epidemiological studies have revealed higher renal cell cancer incidences and also higher cancer mortalities in hypertensive individuals. Recently, our group has shown that perfusion of the isolated mouse kidney with Ang II or treatment of several cell lines with Ang II leads to formation of DNA damage and oxidative base modifications. Here, we tried to scrutinize the pathway involved in genotoxicity of Ang II. We confirmed the genotoxicity of Ang II in two kidney cell lines of human origin. Ang II treatment led to the production of superoxide anions which we could hinder when we used the membrane permeable superoxide dismutase (SOD) mimetic TEMPOL. One of the enzymes which is activated in the cells after Ang II treatment and is able to produce ROS is NADPH oxidase. We demonstrated the activation of NADPH oxidase in response to Ang II by upregulation of its p47 subunit using RT-PCR. Also, pPhosphorylation of p47 subunit of NADPH oxidase after Ang II treatment was enhanced. Using two inhibitors we showed that NADPH oxidase inhibition completely prevents DNA damage by Ang II treatment. To differentiate between Nox2 and Nox4 isoforms of NADPH oxidase subunits in the genotoxicity of Ang II, we performed siRNA inhibition and found a role only for Nox4, while Nox2 was not involved. Next, we investigated PKC as a potential activator of NADPH oxidase. We showed that PKC becomes phosphorylated after Ang II treatment and also that inhibition of PKC hinders Ang II from damaging the cells. Our results from using several inhibitors of different parts of the pathway revealed that PKC activation in this pathway is dependent on the action of PLC on membrane phospholipids and production of IP3. IP3 binds to its receptor at endoplasmic reticulum (ER), opening a channel which allows calcium efflux into the cytoplasm. In this manner, both ER calcium stores and extracellular calcium cooperate so that Ang II can exert its genotoxic effect. PLC is activated by AT1R stimulation. We could also show that the genotoxicity of Ang II is mediated via AT1R signaling using the AT1R antagonist candesartan. In conclusion, here we have shown that Ang II is able to damage genomic damage in cell lines of kidney origin. The observed damage is associated with production of ROS. A decrease in Ang II-induced DNA damage was observed after inhibition of G-proteins, PLC, PKC and NADPH oxidase and interfering with intra- as well as extracellular calcium signaling. This leads to the following preliminary model of signaling in Ang II-induced DNA damage: binding of Ang II to the AT1 receptor activates PLC via stimulation of G-proteins, resulting in the activation of PKC in a calcium dependent manner which in turn, activates NADPH oxidase. NADPH oxidase with involvement of its Nox4 subunit then produces reactive oxygen species which cause DNA damage. Dopamine content and metabolism in the peripheral lymphocytes of PD patients are influenced by L-Dopa administration. The PD patients receiving a high dose of L-Dopa show a significantly higher content of dopamine in their lymphocytes compared to PD patients who received a low dose of L-Dopa or the healthy control. Central to many of the processes involved in oxidative stress and oxidative damage in PD are the actions of monoamine oxidase (MAO), the enzyme which is responsible for the enzymatic oxidation of dopamine which leadsing to production of H2O2 as a by-product. We investigated whether dopamine oxidation can cause genotoxicity in lymphocytes of PD patents who were under high dose L-Dopa therapy and afterward questioned the occurrence of DNA damage after dopamine treatment in vitro and tried to reveal the mechanism by which dopamine exerts its genotoxic effect. The frequency of micronuclei in peripheral blood lymphocytes of the PD patients was not elevated compared to healthy age-matched individuals, although the formation of micronuclei revealed a positive correlation with the daily dose of L-Dopa administration in patients who received L-Dopa therapy together with dopamine receptor agonists. In vitro, we describe an induction of genomic damage detected as micronucleus formation by low micromolar concentrations in cell lines with of different tissue origins. The genotoxic effect of dopamine was reduced by addition of the antioxidants TEMPOL and dimethylthiourea which proved the involvement of ROS production in dopamine-induced DNA damage. To determine whether oxidation of dopamine by MAO is relevant in its genotoxicity, we inhibited MAO with two inhibitors, trans-2-phenylcyclopropylamine hydrochloride (PCPA) and Ro 16-6491 which both reduced the formation of micronuclei in PC-12 cells. We also studied the role of the dopamine transporter (DAT) and dopamine type 2 receptor (D2R) signaling in the genotoxicity of dopamine. Inhibitors of the DAT, GBR-12909 and nomifensine, hindered dopamine-induced genotoxicity. These results were confirmed by treatment of MDCK and MDCK-DAT cells, the latter containing the human DAT gene, with dopamine. Only MDCK-DAT cells showed elevated chromosomal damage and dopamine uptake. Although stimulation of D2R with quinpirole in the absence of dopamine did not induce genotoxicity in PC-12 cells, interference with D2R signaling using D2R antagonist and inhibition of G-proteins, phosphoinositide 3 kinase and extracellular signal-regulated kinases reduced dopamine-induced genotoxicity and affected the ability of DAT to take up dopamine. Furthermore, the D2R antagonist sulpiride inhibited the dopamine-induced migration of DAT from cytosol to cell membrane. Overall, the neurotransmitter dopamine causes DNA damage and oxidative stress in vitro. There are also indications that high dose L-Dopa therapy might lead to oxidative stress. Dopamine exerts its genotoxicity in vitro upon transport into the cells and oxidization oxidation by MAO. Transport of dopamine by DAT has the central role in this process. D2R signaling is involved in the genotoxicity of dopamine by affecting activation and cell surface expression of DAT and hence modulating dopamine uptake. We provided evidences for receptor-mediated genotoxicity of two compounds with different mechanism of actions. The involvement of these receptors in many human complications urges more investigations to reveal whether abnormalities in the endogenous compounds-mediated signaling can play a role in the initiation of new conditions like carcinogenesis.
N2  - Reaktive Sauerstoffspezies (ROS) werden kontinuierlich in Zellen generiert und sind an physiologischen Prozessen wie der Signaltransduktion beteiligt. Aber auch ihre schädigenden Auswirkungen auf biologische Moleküle sind seit langem bekannt. Eine Reihe von Literaturberichten sieht einen Zusammenhang zwischen übermäßigem oxidativen Stress oder einer unzureichenden antioxidativen Verteidigung und Krebs, Atherosklerose und chronischen bzw. altersbedingten Erkrankungen. Mehrere Studien haben belegt, dass die Aktivierung des Renin-Angiotensin-Aldosteron-Systems zur Bildung von ROS führen kann. Epidemiologische Studien haben gezeigt, dass Nierenkarzinom-Inzidenzen und -Mortalitäten bei Hypertonikern erhöht sind. Vor kurzem konnte unsere Gruppe zeigen, dass die Perfusion von isolierten Maäusen-Nieren und dieoder Behandlung mehrerer Zelllinien mit Angiotensin II (Ang II) zur Bildung von DNA-Schäden und oxidativen Basenmodifikationen führt. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die Signalwege der Genotoxizität von Ang II zu bestimmen. Wir bestätigten dDie Genotoxiziät von Ang II in zwei Nieren-Zelllinien humaner Herkunft konnte bestätigt werden. Wir zeigten, dass Ang II-Behandlung zur Produktion von Superoxid-Anionen führt, die durch das membrangängige Superoxid-Dismutase-Mimetikum TEMPOL verhindert werden kann. Eines der Enzyme, das in den Zellen nach Ang II-Behandlung aktiviert wird und ROS produzieren kann, ist die NADPH-Oxidase. Die mittels RT-PCR gemessene Hochregulierung von p47 beweist die Aktivierung der NADPH-Oxidase nach Ang II-Behandlung. Auch die Phosphorylierung von p47 nach Ang II-Behandlung wurde gesteigert. Mittels zweier Inhibitoren zeigten wir, dass NADPH-Oxidase-Hemmung DNA-Schäden durch Ang II-Behandlung vollständig verhindert. Wir versuchten, die Rolle der Nox2- und Nox4-Isoformen der NADPH-Oxidase-Untereinheiten bei der Genotoxizität von Ang II zu differenzieren. Hemmung mittels siRNA bestätigte nur eine Beteiligung der Nox4. Anschließend überprüften wir die Rolle der PKC als potentiellem Aktivator der NADPH-Oxidase. Wir zeigten, dass die PKC nach Ang II-Behandlung PKC phosphoryliert wird und durch die Hemmung der PKC Ang II-induzierten Schäden verhindert werdenird. Die Verwendung mehrerer Inhibitoren der verschiedenen Teile des Signalweges zeigte, dass die PKC-Aktivierung von der Reaktion der PLC mit Membranphospholipiden und der Produktion von IP3 und DAG abhängig ist. IP3 bindet an seinen Rezeptor am Endoplasmatischen Retikulum (ER)., dDie in der Folge auftretende Öffnung eines Kanals ermöglicht einen Calcium-Ausstrom in das Cytoplasma. Auf diese Weise sind sowohl ER-Calcium als auch extrazelluläres Calcium an der Ang II-induzierten genotoxische Wirkung beteiligt. PLC wird durch AT1R-Stimulation aktiviert. Wir konnten mit Hilfe des AT1R-Antagonisten Candesartan auch zeigen, dass die Genotoxizität von Ang II über AT1R-Signaltransduktion vermittelt wird. Zusammenfassend haben wir gezeigt, dass Ang II genomische Schäden in humanen Nieren-Zelllinien verursacht. Die Schäden sind mit der Produktion von ROS verbunden. Eine Reduktion der Ang II-induzierten DNA-Schäden wurde nach Hemmung vonder G-Proteinen, der PLC, PKC und NADPH-Oxidase und Beeinflussung intra- sowie extrazellulärer Calium-Signalgebung gezeigt. Dies führt zu folgendem vorläufigen Modell der Signaltransduktion der von Ang II-induzierten DNA-Schäden: Die Bindung von Ang II an den AT1-Rezeptor aktiviert die PLC durch Stimulationerung der G-Proteine und die PKC in Calcium-abhängiger Weise, dies wiederum aktiviert die NADPH-Oxidase. Die NADPH Oxidase unter Beteiligung ihrerseiner Nox4-Untereinheit erzeugt dann reaktive Sauerstoffspezies, die DNA-Schäden verursachen. Dopamingehalt und -stoffwechsel in peripheren Lymphozyten von Parkinson-Patienten werden durch L-Dopa-Gabe beeinflusst. Die Patienten, die eine hohe Dosis L-Dopa erhalten, zeigen einen signifikant höheren Gehalt an Dopamin in den Lymphozyten im Vergleich zu Patienten, die eine niedrige Dosis L-Dopa erhalten oder der gesunden Kontrollgruppe. Im Mittelpunkt vieler Prozesse bei der Entstehung von oxidativem Stress und oxidativer Schäden bei Parkinson-Patienten steht die Monoaminoxidase (MAO), die für die enzymatische Oxidation von Dopamin und in der Folge für die Entstehung von H2O2 verantwortlich ist. Wir untersuchten, ob die Oxidation von Dopamin genotoxische Wirkung in Lymphozyten von Parkinson-Patienten mit hochdosierter L-Dopa-Therapie induzieren kann. Danach überprüftenfragten wir, ob die Behandlung mit Dopamin in vitro DNA-Schäden induzieren kann und versuchten aufzuzeigen, durch welchen Mechanismus Dopamin seine genotoxische Wirkung entfaltet. Die Häufigkeit von Mikrokernen in peripheren Lymphozyten der Parkinson-Patienten war nicht erhöht im Vergleich zur gesunden Kontrollgruppe, allerdings zeigte die Mikrokernfrequenz eine positive Korrelation mit der täglichen L-Dopa-Dosis bei Patienten, die eine L-Dopa-Therapie zusammen mit einem Dopamin-Rezeptor-Agonisten erhielten. In vitro beobachteten wir bei niedrigen mikromolaren Konzentrationen eine Induktion des genomischen Schadens in Zelllinien, die aus verschiedenen Geweben stammten. Die genotoxische Wirkung von Dopamin wurde durch Zugabe der Antioxidantien TEMPOL und DMTU reduziert, wodurch die Beteiligung von ROS gezeigt werden konnte. Um festzustellen, ob die Oxidation von Dopamin durch MAO für die Genotoxizität relevant ist, hemmten wir MAO mit zwei Inhibitoren, trans-2-Phenylcyclopropylamin-Hydrochlorid (PCPA) und Ro 16-6491, die beide die Bildung von Mikrokernen in PC-12-Zellen reduzieren konnten. Wir untersuchten auch die Rolle des Dopamin-Transporters (DAT) und Dopamin-Typ-2-Rezeptor (D2R)-assoziierter Signalwege in der Genotoxizität von Dopamin. Die Inhibitoren des DAT, GBR-12909 und Nomifensin verhinderten die Dopamin-induzierte Genotoxizität. Diese Ergebnisse wurden durch Behandlung von MDCK- und MDCK-DAT- Zellen (die das humane DAT-Gen besitzen) mit Dopamin bestätigt. Nur MDCK-DAT-Zellen zeigten erhöhte chromosomale Schäden und Dopaminaufnahme. Obwohl die Stimulation mit dem D2R-Rezeptor-Agonisten Quinpirol in Abwesenheit von Dopamin keine Genotoxizität in PC-12-Zellen induzierte, reduzierten sowohl ein D2R-Antagonist, wie auch Inhibitoren des in der Signalkaskade involvierten G-Proteins, der Phosphoinositol-3-Kinase und der extrazellulären signalregulierten Kinasen die Aufnahme von Dopamin mittels DAT und die Dopamin-vermittelte Genotoxizität. Der D2R-Antagonist Sulpirid hemmte die Dopamin-induzierte Migration von DAT aus dem Cytosol zur Zellmembran. Insgesamt verursacht der Neurotransmitter Dopamin DNA-Schäden und oxidativen Stress in vitro. Es gibt Hinweise, dass eine hochdosierte L-Dopa-Therapie zu oxidativem Stress führt. In vitro führt Dopamin zu Genotoxizität durch den Transport in die Zellen und Oxidation durch MAO. Der Transport von Dopamin durch DAT spielt eine zentrale Rolle in diesem Prozess. Die D2R-Signalwege sind an der Genotoxizität von Dopamin durch Auswirkung auf die Aktivierung und Membranexpression von DAT und damit der Dopaminaufnahme beteiligt.
KW  - Angiotensin II
KW  - Mutagenität
KW  - DNS-Schädigung
KW  - DNA-Schaden
KW  - Genotoxizität
KW  - genotoxicity
KW  - DNA damage
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-55634
ER  - 
TY  - THES
A1  - Eman, Maher Othman Sholkamy
T1  - In Vitro and In Vivo Analysis of Insulin-Induced Oxidative Stress and DNA Damage
T1  - In vitro und in vivo Untersuchungen von  Insulin-induzierten oxidativen Stress und  DNA-Schäden
N2  - Hyperinsulinemia, a condition with excessively high insulin blood levels, is related to an increased cancer incidence. Diabetes mellitus, metabolic syndrome, obesity and polycystic ovarian syndrome are the most common of several diseases accompanied by hyperinsulinemia. Since an elevated cancer risk especially for colon and kidney cancers, was reported for those patients, we investigated for the first time the induction of genomic damage by insulin mainly in HT29 (human colon cells), LLC-PK1 (pig kidney cells), HK2 (human kidney cells) and peripheral lymphocytes, and to confirm the genotoxicity of insulin in other cells from different tissues. To ascertain that the insulin effects were not only limited to permanent cell lines, rat primary colon, kidney, liver and fatty tissue cells were also studied. To connect the study and the findings to in vivo conditions, two in vivo models for hyperinsulinemia were used; Zucker diabetic fatty rats in a lean and diabetic state infused with different insulin concentrations and peripheral lymphocytes from type 2 diabetes mellitus patients. First, the human colon adenocarcinoma cells (HT29) showed significant elevation of DNA damage using comet assay and micronucleus frequency analysis upon treatment with 5 nM insulin in standard protocols. Extension of the treatment to 6 days lowered the concentration needed to reach significance to 0.5-1 nM. Insulin enhanced the cellular ROS production as examined by the oxidation of the dyes 2´,7´-dichlorodihydrofluorescein diacetate (H2DCF-DA) and dihydroethidium (DHE). The FPG modified comet assay and the reduction of damage by the radical scavenger tempol connected the insulin-mediatedDNA damage to ROS production. To investigate the sources of ROS upon insulin stimulation, apocynin and VAS2870 as NADPH oxidase inhibitors and rotenone as mitochondrial inhibitor were applied in combination with insulin and all of them led to a reduction of the genomic damage. Investigation of the signaling pathway started by evaluation of the binding of insulin to its receptor and to the IGF-1 receptor. The results showed the involvement of both receptors in the signaling mechanism. Following the activation of both receptors, PI3K activation occurs leading to phosphorylation of AKT which in turn activates two pathways for ROS production, the first related to mitochondria and the second through activation of Rac1 , resulting in the activation of Nox1. Both pathways could be activated through AKT or through the mitochondrial ROS which in turn could activates Nox1. Studying another human colon cancer cell line, Caco-2 and rat primary colon cells in vitro confirmed the effect of insulin on cellular chromatin. We conclude that pathophysiological levels of insulin can cause DNA damage in colon cells, which may contribute to the induction or progression of colon cancer. Second, in kidney cells, insulin at a concentration of 5 nM caused a significant increase in DNA damage in vitro. This was associated with the formation of reactive oxygen species (ROS). In the presence of antioxidants, blockers of the insulin and IGF-1 receptors, and a phosphatidylinositol 3-kinases (PI3K) inhibitor, the insulin mediated DNA damage was reduced. Phosphorylation of AKT was increased and p53 accumulated. Inhibition of the mitochondrial and NADPH oxidase related ROS production reduced the insulin mediated damage. In primary rat cells insulin also induced genomic damage. HK2 cells were used to investigate the mechanistic pathway in the kidney The signaling is identical to the one in the colon cells untill the activation of the mitochondrial ROS production, because after the activation of PI3K activation of Nox4 occurs at the same time across talk between mitochondria and Nox4 activation has been suggested and might play a role in the observed effects. In the in vivo model, kidneys from healthy, lean ZDF rats, which were infused with insulin to yield normal or high blood insulin levels, while keeping blood glucose levels constant, the amounts of ROS and p53 were elevated in the high insulin group compared to the control level group. ROS and p53 were also elevated in diabetic obese ZDF rats. The treatment of the diabetic rats with metformin reduced the DNA oxidation measured as 8-oxodG as well as the ROS production in that group. HL60 the human premyelocytic cells and cultured lymphocytes as models for the hemopoietic system cells showed a significant induction for DNA damage upon treatment with insulin. The diabetic patients also exhibited an increase in the micronucleus formation over the healthy individuals. In the present study, we showed for the first time that insulin induced oxidative stress resulting in genomic damage in different tissues, and that the source of the produced ROS differs between the tissues. If the same mechanisms are active in patients, hyperinsulinemia might cause genomic damage through the induction of ROS contributing to the increased cancer risk, against which the use of antioxidants as well as mitochondrial and NADPH oxidase inhibitors might exert protective effects with cancer preventive potential under certain conditions. Normal healthy human plasma insulin concentrations are in the order of 0.04 nM after overnight fasting and increase to less than about 0.2 nM after a meal. Pathophysiological levels can reach 1 nM and can stay above 0.2 nM for the majority of the daytime yielding condictions close to the insulin concentrations determined in the present study. Whether the observed effects also occur in vivo and whether they actually initiate or promote tumor formation remains to be determined. However, if proof of that can be obtained, our experiments with inhibitors indicate chances for pharmacological intervention applying antioxidants or enzyme inhibitors. It will not be the aim to reduce ROS in any case or as much as possible because ROS have now been recognized as important signaling molecules and participatants in immune defense, but a reduction to physiological levels instead of pathophysiological levels in the context of a disease associated with ROS overproduction might be beneficial.
N2  - Hyperinsulinämie, ein Zustand mit sehr hohen Blutspiegeln an Insulin, ist mit einer erhöhten Krebsinzidenz verbunden. Diabetes mellitus, das metabolische Syndrom, Adipositas und das polyzystische Ovarialsyndrom sind die häufigsten Krankheiten, die mit Hyperinsulinämie einhergehen. Da ein erhöhtes Krebsrisiko insbesondere für Krebserkrankungen des Dickdarms und der Niere beobachtet wurde, untersuchten wir erstmals die Induktion von Genomschäden durch Insulin in HT29-Zellen (humane Dickdarmzellen), LLC-PK1-Zellen (Nierenzellen vom Schwein), HK2-Zellen (humane Nierenzellen) und peripheren humanen Lymphozyten. Um die Gentoxizität von Insulin zu bestätigen, wurden auch andere Zellen aus unterschiedlichen Geweben untersucht. Um sicherzustellen, dass die Effekte durch Insulin nicht auf permanente Zelllinien beschränkt sind, wurden außerdem primäre Rattenzellen aus Dickdarm, Niere, Leber und Fettgewebe untersucht. Um die Befunde auf die in-vivo-Situation übertragen zu können, kamen zwei Hyperinsulinämie-Modelle zum Einsatz: mit Insulin infundierte ZDF-Ratten (Zucker Diabetic Fatty Rats) und periphere Lymphozyten von Patienten mit Diabetes Typ 2. Zuerst konnte in humanen Adenokarzinomzellen des Dickdarms (HT29) eine signifikante Erhöhung des DNA-Schadens in Standard-Protokollen des Comet Assays und des Mikrokerntests nach Behandlung mit 5 nM Insulin gezeigt werden. Bei Verlängerung der Behandlungszeit auf 6 Tage wurden signifikante Effekte bereits ab 0,5 nM beobachtet. Insulin erhöhte die zelluläre ROS-Produktion, die als Oxidation der Farbstoffe 2‘,7‘-Dichlorodihydrofluoresceindiacetat (H2DCF-DA) und Dihydroethidium (DHE) nachgewiesen wurde. Befunde aus dem FPG-modifizierten Comet Assay und das Ergebnis, dass der Radikalfänger Tempol die Zellen schützte stellen die Verbindung zwischen Insulin-verursachtem DNA-Schaden und ROS produktion her. Um die ROS-Quelle nach Stimulation mit Insulin zu untersuchen, wurden Apocynin und VAS2870 als NADPH-Oxidase-Inhibitoren und Rotenon als Inhibitor der Mitochondrien mit Insulin kombiniert. Alle diese Stoffe reduzierten den Genomschaden. Zur Charakterisierung der Signalwege wurde zunächst die Bindung von Insulin an seinen Rezeptor und an den IGF1-Rezeptor untersucht. Beide Rezeptoren sind an der Signaltransduktion beteiligt. Nach Aktivierung der Rezeptoren wird die PI3K aktiviert, dies führt zur Phosphorylierung von AKT. Dadurch werden zwei Wege zur ROS-Produktion aktiviert, der erste involviert die mitochondriale Atmungskette , der zweite agiert durch Rac1-Aktivierung. Letzteres resultiert in der Aktivierung der NADPH-Oxidase Isoform Nox1. Der Effekt von Insulin auf zelluläres Chromatin konnte in einer weiteren humanen Dickdarmkrebs-Zelllinie und in primären Dickdarmzellen der Ratte in vitro bestätigt werden. Wir schlussfolgern aus diesen Ergebnissen, dass pathophysiologische Insulin-Blutspiegel DNA-Schäden im Dickdarm verursachen können. Dies könnte zur Induktion oder Progression von Dickdarmkrebs beitragen. Weiterhin verursachte Insulin bei einer Konzentration von 5 nM einen signifikanten Anstieg von DNA-Schäden in vitro. Dies war verbunden mit der Bildung von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS). Bei Anwesenheit von Antioxidantien, von Inhibitoren des Insulin-Rezeptors bzw. des IGF-1-Rezeptors und eines Phosphatidylinositol-3-Kinase(PI3K)-Inhibitors war der Insulin-vermittelte DNA-Schaden reduziert. Phosphorylierung von AKT war erhöht und das Protein P53 akkumulierte. Inhibierung der ROS-Produktion der Mitochondrien bzw. der NADPH-Oxidase reduzierte den Insulin-vermittelten Schaden. In primären Rattenzellen induzierte Insulin ebenfalls Genomschaden. HK2-Zellen wurden zur Untersuchung der mechanistischen Signalwege in der Niere eingesetzt. Die Signalwege entsprechen denen der Dickdarmzellen bis zur Aktivierung der ROS-Produktion in den Mitochondrien. Als Folge der Aktivierung von PI3K wird Nox4 aktiviert. Eine Verbindung zwischen Mitochondrien und Nox4-Aktivierung wird vorgeschlagen. Als in-vivo-Modell wurden gesunde ZDF-Ratten mit Insulin infundiert, um normale bzw. erhöhte Insulin-Blutspiegel bei konstanten Glukose-Blutspiegeln zu erreichen. In den Nieren war der Gehalt an ROS und an P53 in der Gruppe mit erhöhten Insulin-Blutspiegeln im Vergleich zur Kontrolle erhöht. ROS und P53 waren ebenfalls in den diabetischen und adipösen ZDF-Ratten erhöht. Die Behandlung der diabetischen Ratten mit Metformin reduzierte die DNA-Oxidation, die in Form von 8-oxodG bestimmt wurde, und die ROS-Produktion in dieser Gruppe. HL60-Zellen und kultivierte Lymphozyten als Modelle für das hämatopoetische System zeigten eine signifikante Induktion von DNA-Schäden nach Behandlung mit Insulin. Diabetes-Patienten zeigten eine erhöhte Mikrokern-Bildung im Vergleich zu gesunden Probanden. In der vorliegenden Studie konnten wir erstmals zeigen, dass Insulin-induzierter oxidativer Stress zu Genomschaden führt, und dass in unterschiedlichen Geweben ROS aus verschiedenen Quellen stammten. Falls diese Mechanismen auch in Patienten auftreten, könnte Hyperinsulinämie durch ROS-Induktion zu Genomschaden führen und damit zu einem erhöhten Krebsrisiko beitragen. Unter bestimmten Bedingungen könnten Antioxidantien bzw. Inhibitoren der Mitochondrien oder der NADPH-Oxidase protektive Effekte ausüben.
KW  - Insulin
KW  - Oxidativer Stress
KW  - DNS-Schädigung
KW  - oxidativer Stress
KW  - DNA Schaden
KW  - Insulin
KW  - Insulin
KW  - Oxidative Stress
KW  - DNA Damage
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-69274
ER  - 
TY  - THES
A1  - Büchner, Claudia Nadine
T1  - Single molecule studies of DNA lesion search and recognition strategies
T1  - Einzel-Molekül-Studien von Strategien zur DNS-Schadenssuche und -erkennung
N2  - The integrity of our genome is continuously endangered by DNA damaging factors. Several cellular mechanisms have evolved to recognize and remove different types of DNA lesions. Despite the wealth of information on the three-dimensional structure and the catalytic mechanism of DNA repair enzymes, the essential process of target site search and identification remains more elusive. How can a small number of repair proteins find and detect the rare sites of damage rapidly and efficiently over an excess of millions of undamaged bases? 
To address this pivotal question in DNA repair, I focused on the central players from the two DNA damage excision repair pathways in my studies: nucleotide excision repair (NER) and base excision repair (BER). As examples for completely different approaches of damage search, recognition and verification, I compared the NER protein Xeroderma pigmentosum group D (XPD) with the BER proteins human thymine DNA glycosylase (hTDG) and human 8-oxoguanine glycosylase (hOgg1). 
In particular, the single molecule approach of atomic force microscopy (AFM) imaging and complementary biochemical and biophysical techniques were applied. I established a simple, optimized preparation approach, which yields homogeneous and pure samples of long (several hundreds to thousands of base pairs) DNA substrates suitable for the AFM studies with DNA repair proteins. Via this sample preparation, a single target site of interest can be introduced into DNA at a known position, which allows separate analysis of specific protein-DNA complexes bound to the lesion site and nonspecific complexes bound to non-damaged DNA. 
The first part of the thesis investigates the XPD protein involved in eukaryotic NER. In general, the NER mechanism removes helix-distorting lesions – carcinogenic UV light induced photoproducts, such as cyclobutane pyrimidine dimers (CPDs) as well as bulky DNA adducts. The 5’-3’ helicase XPD has been proposed to be one of the key players in DNA damage verification in eukaryotic NER, which is still a matter of hot debate. In the studies, I focused on XPD from the archaeal species Thermoplasma acidophilum (taXPD), which shares a relatively high sequence homology with the sequence of the human protein and may serve as a good model for its eukaryotic counterpart. Based on AFM experiments and accompanying DNA binding affinity measurements with the biosensor technology Biolayer Interferometry (BLI), a clear role of XPD in damage verification was deciphered. Specifically, the data suggested that the ATP-dependent 5’-3’ helicase activity of XPD was blocked by the presence of damage leading to stalled XPD-DNA damage verification complexes at the lesion sites.
Successful damage verification led to ATP-dependent conformational changes visible by a significant transition in DNA bend angles from ~ 50° to ~ 65° at the site of the bound protein. Remarkably, this DNA bend angle shift was observed both in the presence of ATP and ATPγs (non-hydrolyzable ATP analog) indicating that ATP-binding instead of ATP hydrolysis was sufficient to induce repair competent conformational changes of XPD. Most importantly, detailed protein binding position and DNA bend angle analyses revealed for the first time that XPD preferably recognizes a bulky fluorescein lesion on the translocated strand, whereas a CPD lesion is preferentially detected on the opposite, non-translocated strand. Despite the different recognition strategies for both types of damages, they share a common verification complex conformation, which may serve as a signal for the recruitment of further NER factors.
In the second part of the thesis, AFM imaging and a 2-Aminopurine fluorescence-based base-flipping assay were combined to investigate damage search and recognition by DNA glycosylases in BER. Exemplarily, I chose to study hTDG as a representative of the vast glycosylase family. hTDG excises thymine and uracil from mutagenic G:T and G:U mispairs contributing to cancer and genetic disease. The AFM data suggested that hTDG uses the intrinsic flexibility of G:T and G:U wobble pairs for initial damage sensing, while scanning DNA as a search complex (SC, slightly bent DNA). Remarkably, hTDG has been indicated to continuously switch between the search and interrogation conformation (IC, stronger bent DNA) during damage search. In the IC, target bases are interrogated by extrahelical base flipping, which is facilitated by protein-induced DNA bending and enhanced DNA flexibility at mismatches. AFM and fluorescence analyses revealed that the flipped base is stabilized via hTDG’s arginine finger. Correct target bases are perfectly stabilized within the enzyme’s catalytic pocket resulting in prolonged residence time and enhanced excision probability. To test for the generalizability of the proposed hTDG damage search model to BER glycosylases, identical studies were performed with a second glycosylase, hOgg1. The data on hOgg1, which removes structurally more stable 8-oxoguanine lesions, supported the hypothesis developed for lesion recognition by hTDG as a common strategy employed by BER glycosylases
N2  - Die Stabilität des menschlichen Genoms wird durch DNA-schädigende Faktoren ständig bedroht. Mehrere zelluläre Mechanismen haben sich entwickelt, um verschiedene Typen von DNS-Schädigungen zu erkennen und zu entfernen. Obwohl zahlreiche und vielfältige Informationen über die drei-dimensionalen Strukturen und katalytischen Mechanismen von DNS-Reparaturenzymen vorhanden sind, ist der essentielle Prozess der Suche und Identifikation von Läsionen kaum verstanden. Wie ist es möglich, dass eine kleine Anzahl an Reparaturenzymen die seltenen DNS-Schadensstellen unter Millionen von unbeschädigten Basen schnell und effizient finden kann?
Diese zentrale Frage der DNS-Reparatur habe ich mit Hilfe von Schlüssel-Proteinen aus zwei verschiedenen DNS-Reparaturmechanismen untersucht, zum einen aus der Nukleotid- (NER) und zum anderen aus der Basenexzisionsreparatur (BER). Als Beispiel für zwei völlig unterschiedliche Ansätze zur Schadenssuche, -erkennung und -verifizierung, habe ich das NER Protein Xeroderma pigmentosum group D (XPD) mit den BER Proteinen humane Thymin DNA Glykosylase (hTDG) und der humanen 8-Oxoguanin Glykosylase (hOgg1) verglichen.
Im Detail habe ich Einzelmoleküluntersuchungen mittels Rasterkraftmikroskopie (engl. ‚atomic force microscopy‘, AFM) und unterstützenden biochemischen und biophysikalischen Techniken angewandt. Ich habe eine einfache und optimierte Probenaufbereitungsmethode etabliert, welche es ermöglicht homogene, hochreine und lange (mehrere 100 Basenpaare) DNS-Substrate herzustellen, die für AFM Studien mit DNS-Reparaturenzymen geeignet sind. Mit Hilfe dieser Probenherstellungs-Technik kann eine einzelne, gewünschte Zielstelle an einer bestimmten Position in diese DNS-Substrate eingefügt werden. Die Verwendung dieser speziellen DNS-Substrate erlaubt eine separate Analyse von spezifischen Protein-DNS-Komplexen, die an bestimmte Läsionen gebunden sind, und unspezifischen Komplexen mit unbeschädigter DNS.
Der erste Teil dieser Arbeit behandelt die Rolle von XPD in der eukaryotischen NER. Der NER Mechanismus entfernt DNS-Schäden, welche die Helix-Struktur der DNS verzerren. Das sind zum einen krebserregende UV-Schäden, wie zum Beispiel Cyclobutan-Pyrimidindimere (CPDs) sowie sperrige DNS-Addukte. Die 5‘-3‘ Helikase XPD wird als eines der Schlüsselenzyme bei der Schadens-Verifizierung gehandelt, was jedoch derzeit noch umstritten ist. In meinen Studien habe ich mich mit dem XPD-Protein aus dem archäischen Organismus Thermoplasma acidophilum (taXPD) beschäftigt. Dieses weist eine relativ große Sequenzhomologie mit dem humanen Protein auf und stellt daher ein gutes Modell für das eukaryotische XPD dar. Auf Grund von AFM Experimenten und DNS-Bindungsaffinitätsmessungen mittels Biolayer-Interferometrie (BLI), konnte XPD eine eindeutige Rolle in der DNS-Schadensverifizierung zugesprochen werden. Meine Ergebnisse zeigten, dass die ATP-abhängige Helikase-Aktivität von XPD durch die Anwesenheit eines DNA-Schadens gehemmt wird, was zur Schadensverifizierung und Bildung von XPD-DNA-Komplexen führt, die von der Schadensstelle ‚aufgehalten‘ wurden.
Eine erfolgreiche Schadensverifizierung führt daraufhin zu ATP-abhängigen Konformationsänderungen, die sich in einer Änderung des DNA-Biegewinkels von ~ 50° zu ~ 65° an der Stelle des gebunden Proteins äußern. Es ist bemerkenswert, dass diese Änderung des DNS-Biegewinkels sowohl mit ATP und als auch mit ATPγs (nicht-hydrolysierbares ATP Analog) beobachtet wurde. Dies zeigt, dass bereits die Bindung und anstatt der Hydrolyse von ATP ausreicht, um reparaturkompetente Konformationsänderungen durch XPD zu veranlassen. Darüber hinaus haben meine detaillierten Proteinbindeposition- und DNS-Biegewinkelanalysen haben zum ersten Mal gezeigt, dass XPD sperrige Fluoreszein-Schäden vor allem auf dem translozierten DNS-Strang erkennt, während CPD-Schäden vor allem auf dem gegenüberliegendem nicht-translozierten Strang erkannt werden. Trotz dieser unterschiedlichen Erkennungsstrategien für die zwei Schadenstypen, nehmen die beiden Schäden die gleiche Konformation im Schadensverifizierungs-Komplex an, was als Signal für die Rekrutierung weiterer NER Faktoren dienen könnte.
Im zweiten Teil meiner Arbeit kombinierte ich AFM-Experimente mit einem sogenannten ‚base flipping' Test, der auf der Fluoreszenz von 2-Aminopurine basiert, um die Schadenssuche und -erkennung durch DNS-Glykosylasen im BER-Mechanismus zu untersuchen. Als Beispiel für die weitläufige Familie der Glykosylasen wählte ich hTDG aus. hTDG schneidet Thymin und Uracil aus mutagenen G:T und G:U Fehlpaarungen heraus. Die AFM Daten zeigten, dass sich hTDG für die initiale Schadenserkennung die intrinsische Flexibilität in G:T und G:U Paaren zu Nutze macht, während die DNA als Suchkomplex geprüft wird (engl. ‚search complex‘, SC, leicht gebogene DNS-Struktur). Erstaunlicherweise scheint hTDG dabei kontinuierlich zwischen einem Such- und Prüfkomplex umzuschalten (engl. ‚interrogation complex‘, IC, stärkere Biegung der DNS). Im IC werden Basen durch „flippen“ außerhalb der DNS-Helix geprüft, was durch die Protein induzierte DNS-Biegung und die erhöhte Flexibilität von Fehlpaarungen in der DNS ermöglicht wird. Die Analyse von AFM- und Fluoreszenzexperimenten brachte zum Vorschein, dass die ‚geflippte‘ Base durch den Arginin-Finger von hTDG stabilisiert wird. Die korrekten Zielbasen passen exakt in die katalytische Tasche des Enzyms und werden dort perfekt stabilisiert, was zu einer längeren Aufenthaltsdauer führt, die wiederum die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass die Base herausgeschnitten wird. Um zu testen, ob das für hTDG vorgeschlagene Schadenssuchmodel auch allgemein für andere BER Glykosylasen gilt, habe ich die gleichen Experimente mit einer weiteren Glykosylase (hOgg1) durchgeführt, ein Protein das strukturell stabilere 8-Oxoguanin-Schäden entfernt. Die Daten für hOgg1 untermauern die Hypothese, die für die Schadenssuche von hTDG erarbeitet wurde, als eine gemeinsame Strategie von BER Glykosylasen.
KW  - Rasterionenmikroskop
KW  - DNS-Schädigung
KW  - Single-molecule
KW  - Atomic-force-microscopy
KW  - DNA lesion
KW  - Einzel-Molekül
KW  - Rasterkraft-Mikroskopie
KW  - DNS-Schaden
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-111886
ER  -