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  - 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  - Bankoglu, Ezgi Eylül
T1  - Oxidative status and genomic damage in an obesity model
T1  - Oxidativer Status und Genom-Schäden in einem Adipositas-Modell
N2  - Several cohort studies showed that obesity increases the risk of chronic disease such as T2DM, hypertension and non-alcoholic fatty liver disease and various types of cancer. Different factors were described that might be involving in these diseases in obesity. Some of these suggested factors were chronic infection, elevated free fatty acids, increased ROS formation, mitochondrial dysfunction and raised NAPDH oxidase activity. Obesity is a multifactorial disease and it is very hard to distinguish between all of these factors. In this study, we wanted to focus on the association between obesity, oxidative stress and genomic damage in kidney, liver and colon, which are the most relevant organs for cancer risk according to the cohort studies. Our findings indicated elevated oxidative stress in kidney, liver and colon together with elevated lipid, RNA and DNA oxidation in the whole body. Additionally, we were able to show increased DNA damage in kidney, liver and colon.
Since obesity has become an epidemic all over the world, possible therapeutic applications such as life style changes (diet and sport), pharmacological supplements and various type of surgeries are increasing. As a second question, we focused on the effect of weight loss, which is supplied either by Roux-en-Y gastric bypass surgery or by caloric restriction designed in a way to provide the same extent of weight loss, on oxidative stress and genomic damage. Our results indicated that weight loss either by gastric bypass surgery or by caloric restriction led to reduced oxidative stress and genomic damage in kidney, liver and colon. We could not find any difference between the weight loss methods, except the DNA oxidation and repair marker urinary 8-oxodG, which was still elevated after RYGB, but not after caloric restriction.
It is known that hyperinsulinemia and in the long term T2DM are among the biggest concerns in obese individuals. Since we know the mutagenic potential of elevated insulin levels from previous data in our working group, the correlation between the highly mutagenic DNA DBSs marker, γ-H2AX and the plasma insulin level was tested and the findings indicated a positive correlation. In order to demonstrate the association between insulin-related oxidative stress and genomic damage, we used in vitro and in vivo models with Pten deficiency. In this part of study, the work was focused on liver.
Pten is a known negative regulator of the PI3K/Akt pathway, which is responsible for the elevated NADPH oxidase activity and mitochondrial dysfunction through elevated insulin levels. Pten inhibition or deficiency were used to sensitize the system to insulin. Non-transformed immortalized human hepatocytes were used to show the mutagenic potential of elevated insulin and these in vitro data revealed once more the link between insulin signaling, elevated oxidative stress and genomic damage. Since the metabolic function of the liver is not only due to the extent of the hepatic insulin response but is also affected by systemic interactions, a whole-body Pten haplodeficient mouse model with an additional Pten+/-/Akt2-/- group was utilized for in vivo investigation of insulin-mediated toxicity. Our findings in this model suggested that Pten deficiency alone can cause an increase in oxidative stress. HFD alone was sufficient to increase the expression of HO-1 and genomic damage significantly. Moreover, the combination (whole-body Pten haplodeficient mice fed with HFD) showed significantly elevated oxidative stress and genomic damage in mouse liver. However, Akt2 knockout could only reduce the oxidative stress and DNA damage in high fat diet fed mice significantly.
All these findings demonstrated that obesity can induce oxidative stress and genomic damage. Elevated insulin levels are associated with obesity-mediated oxidative stress and genomic damage. However, the underlying mechanisms are surely multifaceted and complicated. For example, Pten as oncogene might also induce other mechanisms besides the elevation of the PI3K/Akt pathway activity.
In conclusion, it is clear that oxidative stress and DNA damage are linked to obesity and that weight loss can reduce these two factors. Since DNA-damage is associated with an elevated cancer risk, it might be logical to use an antioxidant therapy in obese individuals to reduce the side effects and oxidative stress dependent mutagenicity and cancer risk in these individuals. However, much more research will be needed to support this idea experimentally.
N2  - Mehrere Kohorten-studien zeigten, dass Adipositas das Risiko chronischer Erkrankungen wie Diabetes Mellitus Typ 2 (T2DM), Bluthochdruck, nicht-alkoholische Fettleber sowie das Risiko für unterschiedliche Krebsarten erhöht. Verschiedene Faktoren, die in Zusammenhang mit den Erkrankungen stehen, die Adipositas verursachen wurden bereits beschrieben. Einige dieser möglichen Faktoren sind chronische Infektionen, gesteigerte freie Fettsäuren, sowie reaktive Sauerstoffradikale, mitochondriale Dysfunktion und erhöhte Aktivität von NADPH-Oxidase. Adipositas ist eine multifaktorielle Erkrankung und unter von diesen Faktoren schwierig zu trennen. In dieser Studie wurde der Schwerpunkt auf den Zusammenhang von Adipositas, oxidativem Stress und Genomschäden in der Niere, Leber und dem Darm gelegt. Diese Organe sind gemäß der Kohortenstudien die anfälligsten hinsichtlich des Krebsrisikos. Unsere Befunde zeigten einen erhöhten oxidativen Stress in Niere, Leber und Darm, zusammen mit gesteigerter systemischer RNA-, DNA- und Fettoxidation, detektierbar anhand von Urinmarkern. Zusätzlich konnte eine Zunahme von DNA-Schäden in Niere, Leber und Darm aufgezeigt werden.
Da Adipositas weltweit eine Epidemie geworden ist, nehmen mögliche therapeutische Anwendungen sowie eine Änderung des Lebensstils (Diät und Sport), pharmazeutische Ergänzungsmittel und verschiedene Arten von chirurgischen Behandlungen zu. Hier  wurde der Fokus auf die Wirkung des Gewichtsverlustes, der durch Roux-en-Y Magen-Bypass-Chirurgie oder durch Kalorienreduzierung mit der Vorgabe eines gleichen Ausmaßes an Gewichtsverlust vorgegeben war, auf die Intensität des oxidativen Stress und des Genomschadens gerichtet. Unsere Befunde zeigten, dass der Gewichtsverlust sowohl durch Magen-Bypass-Chirurgie als auch durch Kalorienreduzierung zu einem reduzierten oxidativem Stress und Genomschaden in der Niere, der Leber und im Darm führten. Es konnte kein Unterschied zwischen den Methoden zur Reduzierung des Gewichtes gefunden werden, außer bei der DNA-Oxidation und dem Reparaturmarker 8-oxodG im Urin, der nach der RYGB immer noch erhöht war, aber nicht nach der Kalorienreduzierung.
Es ist bekannt, dass Hyperinsulinämie bzw. Diabetes Mellitus Typ 2 eines der häufigsten Probleme bei übergewichtigen Patienten ist. Da wir das mutagene Potenzial von erhöhten Insulinspiegeln aus vorherigen Daten unserer Arbeitsgruppe kannten, wurde der Zusammenhang zwischen dem hoch mutagenen DNA-DSBs-Marker γ-H2AX und dem Plasma-Insulinspiegel analysiert. Die Befunde wiesen eine positive Korrelation auf. Um die Beziehung zwischen Insulin-verursachtem oxidativem Stress und Genomschaden aufzuzeigen, wurden in-vitro und in-vivo-Modelle mit Pten-Mangel benutzt. In diesem Teil der Studie wurde das Augenmerk auf die Leber gelegt. 
Das Protein Pten ist als negativer Regulator des PI3K/Akt Signalwegs bekannt, der unter anderem für die erhöhte Aktivität von NADPH Oxidase und mitochondrielle Dysfunktion durch erhöhten Insulinspiegel verantwortlich ist. Pten-Hemmung oder Pten-Mangel wurde genutzt, um unsere Versuchsmodelle für Insulin zu sensibilisieren. Nicht transformierbare immortalisierte menschliche Hepatozyten wurden verwendet, um das mutagene Potenzial von erhöhtem Insulin zu untersuchen, und die damit erzielten in -vitro-Daten wiesen wiederum auf die Beziehung zwischen Insulin-Signalwegen, oxidativem Stress und Genomschaden hin. Da die metabolische Funktion der Leber nicht nur dem Ausmaß der hepatischen Insulin-Reaktion geschuldet ist, sondern auch von systemischen Interaktionen beeinflusst wird, wurde ein Mausmodell für eine in-vivo-Untersuchung eingesetzt, das neben einem haploiden Pten-Mangel (Pten+/-) in einer Tiergruppe mit einer zusätzlichen Akt2-/- Defizienz (Pten+/-/Akt2-/-). Defizienz ausgestattet war. Unsere Befunde in diesem Modell zeigten, der Pten-Mangel alleine bereits erhöhten oxidativen-Stress verursachen kann. HFD war ebenfalls alleine bereits ausreichend, um die Expression von HO-1 und Genomschäden signifikant zu steigern. Darüber hinaus zeigte die Kombination (Pten-Mangel gefüttert mit HFD) eine signifikante Erhöhung des oxidativen Stresses und der Genomschäden in der Mäuseleber. Allerdings konnte das Fehlen von Akt2 den oxidativen Stress und Genomschaden nur in den mit HFD gefütterte Tieren signifikant verringern.
Alle diese Befunde wiesen darauf hin, dass Adipositas oxidativen Stress und Genomschaden hervorrufen kann. Erhöhte Insulinspiegel sind mit Insulin-verursachtem oxidativem Stress und Genomschaden assoziiert. Allerdings sind die zugrunde liegenden Mechanismen sicherlich vielfältig und kompliziert. Zum Beispiel könnte Pten als Onkogen auch andere Mechanismen außer dem Anstieg der Aktivität des PI3K/Akt-Signalwegs- herbeiführen.
Zusammenfassend ist es klar, dass oxidativer Stress und DNA-Schäden mit Adipositas zusammenhängen, und dass Gewichtsreduzierung diese zwei Faktoren verringern kann. Da DNA-Schäden mit erhöhtem Krebsrisiko assoziiert sind, könnte es folglich eine logische Konsequenz sein, Antioxidantien therapeutisch bei adipösen Patienten anzuwenden, um die Nebenwirkungen und die auf oxidativem Stress beruhende Mutagenität und das Krebsrisiko dieser Patienten zu verringern. Allerdings wird weitere intensive Forschung nötig sein, um dies mit experimentellen Daten zu untermauern.
 
KW  - Übergewicht
KW  - DNS-Schädigung
KW  - Oxidativer Stress
KW  - DNA damage
KW  - Oxidative stress
KW  - Obesity
KW  - RYGB
Y1  - 2016
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-137566
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  - 
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  - 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
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  -