Rad51 is a key component of homologous recombination (HR) to repair DNA double-strand breaks and it forms Rad51 recombinase filaments of broken single-stranded DNA to promote HR. In addition to its role in DNA repair and cell cycle progression, Rad51 contributes to the reprogramming process during the generation of induced pluripotent stem cells. In light of this, we performed reprogramming experiments to examine the effect of co-expression of Rad51 and four reprogramming factors, Oct4, Sox2, Klf4, and c-Myc, on the reprogramming efficiency. Co-expression of Rad51 significantly increased the numbers of alkaline phosphatase-positive colonies and embryonic stem cell-like colonies during the process of reprogramming. Co-expression ofRad51 significantly increased the expression of epithelial markers at an early stage of reprogramming compared with control cells. Phosphorylated histone H2AX (${\gamma}H2AX$), which initiates the DNA double-strand break repair system, was highly accumulated in reprogramming intermediates upon co-expression of Rad51. This study identified a novel role of Rad51 in enhancing the reprogramming efficiency, possibly by facilitating mesenchymal-to-epithelial transition and by regulating a DNA damage repair pathway during the early phase of the reprogramming process.
The discovery and mechanistic understanding of target-specific genome engineering technologies has led to extremely effective and specific genome editing in higher organisms. Target-specific genetic modification technology is expected to have a leading position in future gene therapy development, and has a ripple effect on various basic and applied studies. However, several problems remain and hinder efficient and specific editing of target genomic loci. The issues are particularly critical in precise targeted insertion of external DNA sequences into genomes. Here, we discuss some recent efforts to overcome such problems and present a perspective of future genome editing technologies.
Hypersensitivity of cells lacking Brcal to DNA interstrand .ross-link (ICL) agents such as cisplatin and mitomycin C(MMC) implicates the important role of Brcal in cellular response following ICL treatment. Brca1 plays an essential role in DNA double-strand break (DSB) repair through homologous recombination (HR)-dependent and -independent process. Recently, our group has been reported that Brca1 involves in cellular ICL response through HR-dependent repair process (Yun J. et at., Oncogene 2005). In this report, the involvement of Brca1 protein in HR-independent repair process is examined using isogenic $p53^{-/-}\;and\;p53^{-/-}\;Brcal^{-/-}$ mouse embryonic fibroblast (MEF) and psoralen cross-linked reporter reactivation assay. Brcal-deficient MEFs showed significantly low HR-independent repair activity compare to Brca1-proficient MEFs. Hypersensitivity to MMC and ICL reporter repair activity were restored by the reconstitution of Brca1 expression. Interestingly, MEFs expressing exon 11-deleted isoform of Brca1 $(Brca1^{\Delta11/\Delta11})$ showed high resistance to MMC and ICL reporter repair activity comparable to Brca1-reconstituted MEFs. Taken together, these results suggest that Brca1 involves in ICL repair through not only HR-dependent process but also HR-independent process using N-terminal RINC finger domain or C-terminal BRCT domain rather than exon 11 region which mediate interaction with Rad50.
Homologous recombination occurs between homologous chromosomes and is significantly involved in programmed double-strand break (DSB) repair. Activation of two recombinases, Rad51 and Dmc1, is essential for an interhomolog bias during meiosis. Rad51 participates in both mitotic and meiotic recombination, and its strand exchange activity is regulated by an inhibitory factor during meiosis. Thus, activities of Rad51 and Dmc1 are coordinated to promote homolog bias. It has been reported that Hed1, a meiosis-specific protein in budding yeast, regulates Rad51-dependent recombination activity. Here, we investigated the role of Hed1 in meiotic recombination by ectopic expression of the protein after pre-meiotic replication in Saccharomyces cerevisiae. DNA physical analysis revealed that the overexpression of Hed1 delays the DSB-to-joint molecule (JM) transition and promotes interhomolog JM formation. The study indicates a possible role of Hed1 in controlling the strand exchange activity of Rad51 and, eventually, meiotic crossover formation.
The topoisomerase II inhibitor etoposide causes an accumulation of DNA double strand breaks within the nuclei of cells. In this study, we investigated the effect of etoposide on the cell growth and apoptosis of human RPE cells. Etoposide evoked a significant inhibition of cell growth, and also induced DNA fragmentation in ARPE-19 cells. In addition, etoposide significantly up-regulated the expression of heme oxygenase-1 (HO-1), which is a stress-responsive protein and is known to play a protective role against the oxidative injury. And, etoposide-induced HO-1 expression was affected by the ROS scavenger N-acetyl cysteine. We also used oligonucleotides interfering with HO-1 mRNA (siRNA) for the inhibition of HO-1 expression. Interestingly, knock-down of the HO-1 gene significantly increased the level of DNA fragmentation in etoposide-treated ARPE-19 cells. In conclusion, these results suggest that up-regulated HO-1 plays as an anti-apoptotic factor in the process of apoptosis of ARPE-19 cells stimulated by etoposide.
Journal of the Korean Association of Oral and Maxillofacial Surgeons
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v.34
no.5
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pp.509-517
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2008
DNA damage accumulates in cells as a result of exposure to exogenous agents such as benzopyrene, cigarette smoke, ultraviolet light, X-ray, and endogenous chemicals including reactive oxygen species produced from normal metabolic byproducts. DNA damage can also occur during aberrant DNA processing reactions such as DNA replication, recombination, and repair. The major of DNA damage affects the primary structure of the double helix; that is, the bases are chemically modified. These modification can disrupt the molecules'regular helical structure by introducing non-native chemical bonds or bulky adducts that do not fit in the standard double helix. DNA repair genes and proteins scan the global genome to detect and remove DNA damage and damage to single nucleotides. Direct reversal of DNA damage, base excision repair, double strand break. DNA repair are known relevant DNA repair mechanisms. Four different mechanisms are distinguished within excision repair: direct reversal, base excision repair, nucleotide excision repair, and mismatch repair. Genetic variation in DNA repair genes can modulate DNA repair capacity and alter cancer risk. The instability of a cell to properly regulate its proliferation in the presence of DNA damage increase risk of gene mutation and carcinogenesis. This article aimed to review mechanism of excision repair and to understand the relationship between genetic variation of excision repair genes and head and neck cancer.
Defects in DNA double-strand break (DSB) repair signaling permit cancer cells to accumulate genomic alterations that confer their aggressive phenotype. Nevertheless, tumors depend on residual DNA repair abilities to survive the DNA damage induced by genotoxic stress. This is why only isolated DNA repair signaling is inactivated in cancer cells. DNA DSB repair signaling contributes to general mechanism for various types of lesions in diverse cell cycle phases. DNA DSB repair genes are frequently mutated and amplified in cancer; however, limited data exist regarding the overall genomic prospect and functional result of these modifications. We list the DNA repair genes and related E3 ligases. Mutation and expression frequencies of these genes were analyzed in COSMIC and TCGA. The 11 genes with a high frequency of mutation differed between cancers, and mutations in many DNA DSB repair E3 ligase genes were related to a higher total mutation burden. DNA DSB repair E3 ligase genes are involved in tumor suppressive or oncogenic functions, such as RNF168 and FBXW7, by assisting the functionality of these genomic alterations. DNA damage response-related E3 ligases, such as RNF168, FBXW7, and HERC2, were generated with more than 10% mutation in several cancer cells. This study provides a broad list of candidate genes as potential biomarkers for genomic instability and novel therapeutic targets in cancer. As a DSB related proteins considerably appear the possibilities for targeting DNA repair defective tumors or hyperactive DNA repair tumors. Based on recent research, we describe the relationship between unstable DSB repairs and DSB-related E3 ligases.
Kim, Seung-Yeon;Kim, Ga-Yeon;You, Hyeong-Ju;Kang, Man-Jong
Animal Bioscience
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v.35
no.1
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pp.126-137
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2022
Objective: Efficient gene editing technology is critical for successful knock-in in domestic animals. RAD51 recombinase (RAD51) gene plays an important role in strand invasion during homologous recombination (HR) in mammals, and is regulated by checkpoint kinase 1 (CHK1) and CHK2 genes, which are upstream elements of RAD51 recombinase (RAD51). In addition, mismatch repair (MMR) system is inextricably linked to HR-related pathways and regulates HR via heteroduplex rejection. Thus, the aim of this study was to investigate whether clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated 9 (CRISPR/Cas9)-mediated knock-in efficiency of human lactoferrin (hLF) knock-in vector in the bovine β-casein gene locus can be increased by suppressing DNA MMR-related genes (MSH2, MSH3, MSH6, MLH1, and PMS2) and overexpressing DNA double-strand break (DSB) repair-related genes (RAD51, CHK1, CHK2). Methods: Bovine mammary epithelial (MAC-T) cells were transfected with a knock-in vector, RAD51, CHK1, or CHK2 overexpression vector and CRISPR/sgRNA expression vector to target the bovine β-casein gene locus, followed by treatment of the cells with CdCl2 for 24 hours. After 3 days of CdCl2 treatment, the knock-in efficiency was confirmed by polymerase chain reaction (PCR). The mRNA expression levels of DNA MMR-related and DNA DSB repair-related genes were assessed by quantitative real-time PCR (RT-qPCR). Results: Treatment with CdCl2 decreased the mRNA expression of RAD51 and MMRrelated genes but did not increase the knock-in efficiency in MAC-T cells. Also, the overexpression of DNA DSB repair-related genes in MAC-T cells did not significantly affect the mRNA expression of MMR-related genes and failed to increase the knock-in efficiency. Conclusion: Treatment with CdCl2 inhibited the mRNA levels of RAD51 and DNA MMR-related genes in MAC-T cells. However, the function of MMR pathway in relation to HR may differ in various cell types or species.
Rad51, a key factor in the homologous recombination pathway for the DNA double-strand break repair, plays a vital role in genesis of non-small-cell lung cancer (NSCLC). In recent years, more and more studies indicate that high expression of Rad51 is of great relevance to resistance of NSCLC to chemotherapeutic agents and ionizing radiation. However, the underlying molecular mechanisms are poorly understood. In this study, we investigated the role of single Rad51 on cell viability in vitro. Our results show that depletion of endogenous Rad51 is sufficient to inhibit the growth of the A549 lung cancer cell line, by accumulating cells in G1 phase and inducing cell death. We conclude that independent Rad51 expression is critical to the survival of A549 cells and can be an independent prognostic factor in NSCLC patients.
Since its first demonstration as a practical genome editing tool in the early 2010s, the use of clustered regularly interspaced short palindromic repeat (CRISPR) along with the endonuclease Cas9 (CRISPR/Cas9) has become an essential choice for generating targeted mutations. Due to its relative simplicity and cost-effectiveness compared to other molecular scissors, i.e., zinc finger nuclease (ZFN) and transcription activator-like effector nuclease (TALEN), the CRISPR/Cas9 system has been shown to have a massive influence on genetic studies regardless of the biological kingdom. Although the system is in the process of being established, numerous protocols have already been released for the system and there have been various topics of CRISPR related papers published each year in ever-increasing manner. Here, we will briefly introduce CRISPR/Cas9 system and discuss the variants of the CRISPR system. Also, their applications to crop improvement will be dealt with mainly ornamental crops among horticultural crops other than Arabidopsis as a model plant. Finally, some issues on the barriers restraining the use of CRISPR system on floricultural crops, the prospect of CRISPR system as a DNA-free genome editing tool with efficient facilitators and finally, the future perspectives on the CRISPR system will be described.
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