Journal of the Korean Association of Oral and Maxillofacial Surgeons
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제35권1호
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pp.1-6
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2009
DNA double-strand breaks (DSBs) occur commonly in the all living and in cycling cells. They constitute one of the most severe form of DNA damage, because they affect both strand of DNA. DSBs result in cell death or a genetic alterations including deletion, loss of heterozygosity, translocation, and chromosome loss. DSBs arise from endogenous sources like metabolic products and reactive oxygen, and also exogenous factors like ionizing radiation. Defective DNA DSBs can lead to toxicity and large scale sequence rearrangement that can cause cancer and promote premature aging. There are two major pathways for their repair: homologous recombination(HR) and non-homologous end-joining(NHEJ). The HR pathway is a known "error-free" repair mechanism, in which a homologous sister chromatid serves as a template. NHEJ, on the other hand, is a "error-prone" pathway, in which the two termini of the broken DNA molecule are used to form compatible ends that are directly ligated. This review aims to provide a fundamental understanding of how HR and NHEJ pathways operate, cause genome instability, and what kind of genes during the pathways are associated with head and neck cancer.
The filter elution technique was used to assay $^{60}Co$$\gamma$ ray-induced DNA strand breaks(SB) in EL4 mouse leukemia cell and mouse spleen lymphocyte. The lymphocytes were stimulated with lipopolysaccharide (LPS, $20{\mu}g/ml$) to label $[^3H]$ thymidine. EL4 cells and lymphocytes in suspension were exposed at $0^{\circ}C$ to 0Gy, 1Gy, 5Gy, 10Gy or l5Gy for DNA single strand breaks(SSB) assay and 0Gy, 25Gy, 50Gy, 75Gy or 100Gy for DNA double strand breaks(DSB) assay of $^{60}Co$ radiation and elution procedure was performed at pH12.1 and 9.6. The number of DNA strand breaks increased with increasing doses of r rays. The strand scission factor(SSF) was estimated in each experiment (eluted volume 21ml). The slope of SSB EL4 cells was $0.01301{\pm}0.00096Gy^{-1}$ (n=5), the slope of SSB for lymphocytes was $0.01097{\pm}0.00091Gy^{-1}$ (n=5) and the slope of DSB for lymphocytes was $0.001707{\pm}0.0000573Gy^{-1}$ (n=5). Thus EL4 cells were more sensitive to induction of DNA SSB by ionizing radiation than lymphocytes (p<0.005). The ratio of slope of dose-response relationship (SSF versus dose) of lymphocytes DNA SSB as compared with the slope of DNA DSB was 6.4.
53BP1 is an important genome stability regulator, which protects cells against double-strand breaks. Following DNA damage, 53BP1 is rapidly recruited to sites of DNA breakage, along with other DNA damage response proteins, including ${\gamma}$-H2AX, MDC1, and BRCA1. The recruitment of 53BP1 requires a tandem Tudor fold which associates with methylated histones H3 and H4. It has already been determined that the majority of DNA damage response proteins are phosphorylated by ATM and/or ATR after DNA damage, and then recruited to the break sites. 53BP1 is also phosphorylated at several sites, like other proteins after DNA damage, but this phosphorylation is not critically relevant to recruitment or repair processes. In this study, we evaluated the functions of phosphor-53BP1 and the role of the BRCT domain of 53BP1 in DNA repair. From our data, we were able to detect differences in the phosphorylation patterns in Ser25 and Ser1778 of 53BP1 after neocarzinostatin-induced DNA damage. Furthermore, the foci formation patterns in both phosphorylation sites of 53BP1 also evidenced sizeable differences following DNA damage. From our results, we concluded that each phosphoryaltion site of 53BP1 performs different roles, and Ser1778 is more important than Ser25 in the process of DNA repair.
Argonaute 2 (AtAGO2) is a well characterized effector protein in Arabidopsis for its functionalities associated with DNA double-strand break (DSB)-induced small RNAs (diRNAs) and for its inducible expression upon ${\gamma}$-irradiation. However, its transcriptional regulation depending on the recovery time after the irradiation and on the specific response to DSBs has been poorly understood. We analyzed the 1,313 bp promoter sequence of the AtAGO2 gene ($1.3kb_{pro}$) to characterize the transcriptional regulation of AtAGO2 at various recovery times after ${\gamma}$-irradiation. A stable transformant harboring $1.3kb_{pro}$ fused with GUS gene showed that the AtAGO2 is highly expressed in response to ${\gamma}$-irradiation, after which the expression of the gene is gradually decreased until 5 days of DNA damage recovery. We also confirm that the AtAGO2 expression patterns are similar to that of ${\gamma}$-irradiation after the treatments of radiomimetic genotoxins (bleomycin and zeocin). However, methyl methanesulfonate and mitomycin C, which are associated with the inhibition of DNA replication, do not induce the expression of the AtAGO2, suggesting that the expression of the AtAGO2 is closely related with DNA DSBs rather than DNA replication.
Song Hyun, Kim;Junyoung, Park;Jin Woo, Park;Ja Young, Hahm;Seobin, Yoon;In Jun, Hwang;Keun Pil, Kim;Sang-Beom, Seo
BMB Reports
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제55권11호
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pp.541-546
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2022
The repair of DNA double-strand breaks (DSBs) by homologous recombination (HR) is crucial for maintaining genomic integrity and is involved in numerous fundamental biological processes. Post-translational modifications by proteins play an important role in regulating DNA repair. Here, we report that the methyltransferase SET7 regulates HR-mediated DSB repair by methylating TIP60, a histone acetyltransferase and tumor suppressor involved in gene expression and protein stability. We show that SET7 targets TIP60 for methylation at K137, which facilitates DSB repair by promoting HR and determines cell viability against DNA damage. Interestingly, TIP60 demethylation is catalyzed by LSD1, which affects HR efficiency. Taken together, our findings reveal the importance of TIP60 methylation status by SET7 and LSD1 in the DSB repair pathway.
The evolution of genome editing technology based on CRISPR (clustered regularly interspaced short palindromic repeats) system has led to a paradigm shift in biological research. CRISPR/Cas9-guide RNA complexes enable rapid and efficient genome editing in mammalian cells. This system induces double-stranded DNA breaks (DSBs) at target sites and most DNA breakages induce mutations as small insertions or deletions (indels) by non-homologous end joining (NHEJ) repair pathway. However, for more precise correction as knock-in or replacement of DNA base pairs, using the homology-directed repair (HDR) pathway is essential. Until now, many trials have greatly enhanced knock-in or substitution efficiency by increasing HDR efficiency, or newly developed methods such as Base Editors (BEs). However, accuracy remains unsatisfactory. In this review, we summarize studies to overcome the limitations of HDR using the CRISPR system and discuss future direction.
DNA double-strand break (DSB) is a serious treat for the cells including mutations, chromosome rearrangements, and even cell death if not repaired or misrepaired. Ku heterodimer regulatory DNA binding subunits (Ku70/Ku80) bound to double strand DNA breaks are able to interact with 470-kDa DNA-dependent protein kinase catalytic subunit (DNA-PKcs), and the interaction is essential for DNA-dependent protein kinase (DNA-PK) activity. The Ku80 mutants were designed to bind Ku70 but not DNA end binding activity and the peptides were treated in breast cancer cells for co-therapy strategy to see whether the targeted inhibition of DNA-dependent protein kinase (DNA-PK) activity sensitized breast cancer cells to ionizing irradiation or chemotherapy drug to develop a treatment of breast tumors by targeting proteins involved in damage-signaling pathway and/or DNA repair. We designed domains of Ku80 mutants, 26 residues of amino acids (HN-26) as a control peptide or 38 (HNI-38) residues of amino acids which contain domains of the membrane-translocation hydrophobic signal sequence and the nuclear localization sequence, but HNI-38 has additional twelve residues of peptide inhibitor region. We observed that the synthesized peptide (HNI-38) prevented DNA-PKcs from binding to Ku70/Ku80, resulting in inactivation of DNA-PK complex activity in breast cancer cells (MDA-465 and MDA-468). Consequently, the peptide treated cells exhibited poor to no DNA repair, and became highly sensitive to irradiation or chemotherapy drugs. The growth of breast cancer cells was also inhibited. These results demonstrate the possibility of synthetic peptide to apply breast cancer therapy to induce apoptosis of cancer cells.
The cohesin complex holds sister chromatids together and prevents premature chromosome segregation until the onset of anaphase. Mcd1 (also known as Scc1), the α-kleisin subunit of cohesin, is a key regulatory subunit of the mitotic cohesin complex and is required for maintaining sister chromatid cohesion, chromosome organization, and DNA repair. We investigated the function of Mcd1 in meiosis by ectopically expressing Mcd1 during early meiotic prophase I in Saccharomyces cerevisiae. Mcd1 partially regulated the progression of meiotic recombination, sister chromatid separation, and nuclear division. DNA physical analysis during meiotic recombination showed that Mcd1 induced double-strand breaks (DSBs) but negatively regulated homologous recombination during DSB repair; Mcd1 expression delayed post-DSB stages, leading to inefficiencies in the DSB-to-joint molecule (JM) transition and subsequent crossover formation. These findings indicate that meiotic cells undergo Mcd1-mediated DSB formation during prophase I, and that residual Mcd1 could regulate the progression of JM formation during meiotic recombination.
Chromatin remodeling factors are involved in many cellular processes such as transcription, replication, and DNA damage response by regulating chromatin structure. As one of chromatin remodeling factors, remodeling and spacing factor 1 (RSF1) is recruited at double strand break (DSB) sites and regulates ataxia telangiectasia mutated (ATM) -dependent checkpoint pathway upon DNA damage for the efficient repair. RSF1 is overexpressed in a variety of cancers, but regulation of RSF1 levels remains largely unknown. Here, we showed that protein levels of RSF1 chromatin remodeler are temporally upregulated in response to different DNA damage agents without changing the RSF1 mRNA level. In the absence of SNF2h, a binding partner of RSF1, the RSF1 protein level was significantly diminished. Intriguingly, the level of RSF1-3SA mutant lacking ATM-mediated phosphorylation sites significantly increased, and upregulation of RSF1 levels under DNA damage was not observed in cells overexpressing ATM kinase. Furthermore, failure in the regulation of RSF1 level caused a significant reduction in DNA repair, whereas reconstitution of RSF1, but not of RSF1-3SA mutants, restored DSB repair. Our findings reveal that temporal regulation of RSF1 levels at its post-translational modification by SNF2h and ATM is essential for efficient DNA repair.
During meiosis, exchange of DNA segments occurs between paired homologous chromosomes in order to produce recombinant chromosomes, helping to increase genetic diversity within a species. This genetic exchange process is tightly controlled by the eukaryotic RecA homologs Rad51 and Dmc1, which are involved in strand exchange of meiotic recombination, with Rad51 participating specifically in mitotic recombination. Meiotic recombination requires an interaction between homologous chromosomes to repair programmed double-strand breaks (DSBs). In this study, we investigated the budding yeast meiosis-specific proteins Hop2 and Sae3, which function in the Dmc1-dependent pathway. This pathway mediates the homology searching and strand invasion processes. Mek1 kinase participates in switching meiotic recombination from sister bias to homolog bias after DSB formation. In the absence of Hop2 and Sae3, DSBs were produced normally, but showed defects in the DSB-to-single-end invasion transition mediated by Dmc1 and auxiliary factors, and mutant strains failed to complete proper chromosome segregation. However, in the absence of Mek1 kinase activity, Rad51-dependent recombination progressed via sister bias in the $hop2{\Delta}$ or $sae3{\Delta}$ mutants, even in the presence of Dmc1. Thus, Hop2 and Sae3 actively modulate Dmc1-dependent recombination, effectively progressing homolog bias, a process requiring Mek1 kinase activation.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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