Stalled DNA replication forks activate specific DNA repair mechanism called post-replication repair (PRR) pathways that simply bypass DNA damage. The bypassing of DNA damage by PRR prevents prolonged stalling of DNA replication that could result in double strand breaks (DSBs). Proliferating cell nuclear antigen (PCNA) functions to initiate and choose different bypassing pathways of PRR. In yeast, DNA replication forks stalled by DNA damage induces monoubiquitination of PCNA at K164, which is catalyzed by Rad6/Rad18 complex. PCNA monoubiquitination triggers the replacement of replicative polymerase with special translesion synthesis (TLS) polymerases that are able to replicate past DNA lesions. The PCNA interaction motif and/or the ubiquitin binding motif in most TLS polymerases seem to be important for the regulation of TLS. The TLS pathway is usually error-prone because TLS polymerases have low fidelity and no proofreading activity. PCNA can also be further polyubiquitinated by Ubc13/ Mms2/Rad5 complex, which adds an ubiquitin chain onto monoubiquitinated K164 of PCNA. PCNA polyubiquitination directs a different PRR pathway known as error-free damage avoidance, which uses the newly synthesized sister chromatid as a template to bypass DNA damage presumably through template switching mechanism. Mammalian homologues of all of the yeast PRR proteins have been identified, thus PRR is well conserved throughout evolution. Mutations of some PRR genes are associated with a higher risk for cancers in mice and human patients, strongly supporting the importance of PRR as a tumor suppressor pathway.
This study was designed to investigate the effects of reactive oxygen species (ROS) on DNA stability in human spermatozoa. To verify human spermatozoa were incubated with xanthine-xanthine oxidase (X 100$\mu$M-XO 50 mlU ~ 400 mIU), $H_2O_2$ (125 $\mu$M ~ 1 mM), sodium nitroprusside (SNP 0.1 $\mu$M ~ 100 $\mu$M) or lymphocyte. Otherwise, spermatozoa were incubated under low $O_2$ (5%) condition. Damage of sperm DNA was analyzed by single cell electrophoresis (Comet assay) and flow cytometry after acridine orange staining. In the presence of ROS, there was increase in DNA damage. The rate of DNA single strand breakage (9.0$\pm$1.0% ~ 46.0$\pm$4.6%) and DNA fragmentation (7.51$\pm$1.0% ~ 29.5$\pm$4.6%) were similar regardless of the kinds of ROS and exposure time. DNA damage in the lower $O_2$ condition (5%) was lower than ambient $O_2$ condition (20%). Taken together, it suggested that sperm DNA might be damaged by ROS. In the presence of ROS, increase in DNA damage and chromatin instability was obvious in spite of short exposure. Although present study reconfirmed that sperm incubation in the low concentration of ROS have the benefit m the induction of capacitation and Ah, the increase in DNA damage by ROS and possible genetic problem should be considered before the human trials.
Repairing damaged DNA and removing all physical connections between sister chromosomes is important to ensure proper chromosomal segregation by contributing to chromosomal stability. Here, we show that the depletion of non-SMC condensin I complex subunit H (NCAPH) exacerbates chromosome segregation errors and cytokinesis failure owing to sister-chromatid intertwinement, which is distinct from the ultra-fine DNA bridges induced by DNA inter-strand crosslinks (DNA-ICLs). Importantly, we identified an interaction between NCAPH and GEN1 in the chromatin involving binding at the N-terminus of NCAPH. DNA-ICL activation, using ICL-inducing agents, increased the expression and interaction between NCAPH and GEN1 in the soluble nuclear and chromatin, indicating that the NCAPH-GEN1 interaction participates in repairing DNA damage. Moreover, NCAPH stabilizes GEN1 within chromatin at the G2/M-phase and is associated with DNA-ICL-induced damage repair. Therefore, NCAPH resolves DNA-ICL-induced ultra-fine DNA bridges by stabilizing GEN1 and ensures proper chromosome separation and chromosome structural stability.
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.
Helicobacter pylori (H. pylori) is a Gram-negative bacterium that colonizes the gastric mucosa and triggers various stomach diseases. H. pylori induces reactive oxygen species (ROS) production and DNA damage. The heterodimeric Ku70/Ku80 protein plays an essential role in the repair of DNA double-strand breaks (DSB). Oxidative stress stimulate apoptosis and DNA damage that can be repaired by Ku70/80. However, excessive reactive oxygen species (ROS) can cause Ku protein degradation, resulting in DNA fragmentation and apoptosis. α-lipoic acid (α-LA), which is found in organ meats such as liver and heart, spinach, broccoli, and potatoes, quenches free radicals, chelates metal ions, and reduces intracellular DNA damage induced by oxidative stress. Here, we investigated whether H. pylori decreases Ku70/80 and induces apoptosis, and whether α-LA inhibits changes induced by H. pylori. We analyzed ROS, DNA damage markers (γ-H2AX, DNA fragmentation), levels of Ku70/80, Ku-DNA binding activity, Ku80 ubiquitination, apoptosis indices (Bcl-2, Bax, apoptosis-inducing factor (AIF), and caspase-3), and viability in a human gastric epithelial adenocarcinoma cell line (AGS). H. pylori increased ROS, DNA damage markers, Ku80 ubiquitination, and consequently induced apoptosis. It also decreased nuclear Ku70/80 levels and Ku-DNA-binding activity; increased Bax expression, caspase-3 cleavage, and truncated AIF; but decreased Bcl-2 expression. These H. pylori-induced alterations were inhibited by α-LA. The antioxidant N-acetylcysteine and proteasome inhibitor MG-132 suppressed H. pylori-induced cell death and decreased nuclear Ku70/80 levels. The results show that oxidative stress induced Ku70/80 degradation via the ubiquitin-proteasome system, leading to its nuclear loss and apoptosis in H. pylori-infected cells. In conclusion, α-LA inhibited apoptosis induced by H. pylori by reducing ROS levels and suppressing the loss of Ku70/80 proteins in AGS cells.
Human genomic DNA is continuously attacked by oxygen radicals originated from cellular metabolic processes and numerous environmental carcinogens. 2-deoxyribonolactone (dL) is a major type of oxidized abasic (AP) lesion implicated in DNA strand scission, mutagenesis, and formation of covalent DNA-protein crosslink (DPC) with DNA polymerase (Pol) ${\beta}$. We show here that human DNA polymerase (Pol)${\iota}$ and mitochondrial $Pol{\gamma}$ give rise to stable DNA-protein crosslink (DPC) formation that is specifically mediated by dL lesion. $Pol{\gamma}$ mediates DPC formation at the incised dL residue by its 5'-deoxyribose-5-phosphate (dRP) lyase activity, while $Pol{\gamma}$ cross links with dL thorough its intrinsic dRP lyase and AP lyase activities. Reactivity in forming dL-mediated DPC was significantly higher with $Pol{\gamma}$ than with $Pol{\iota}$. DPC formation by $Pol{\gamma}$, however, can be reduced by an accessory factor of $Pol{\gamma}$ holoenzyme that may attenuate deleterious effects of crosslink adducts on mitochondrial DNA. Comparative kinetic analysis of DPC formation showed that the rate of DPC formation with either $Pol{\iota}$ or $Pol{\gamma}$ was lower than that with $Pol{\beta}$. These results revealed that the activity of catalytic lyase in DNA polymerases determine the efficiency of DPC formation with dL damages. Irreversible crosslink formation of such DNA polymerases by dL lesions may result in a prolonged strand scission and a suicide of DNA repair proteins, both of which could pose a threat to the genetic and structural integrity of DNA.
This study was focused on the risk assessment of whether radiofrequency electromagnetic fields generated by mobile phone is cytogenetically toxic or not. We conducted the effects of 835-MHz electromagnetic field (EMF) on DNA strand breaks in mouse thymic lymphoma L5178Y $Tk^{+/1-}$ cells using alkaline comet assay. EMF frequency 835-MHz we chosen is one of the most popular communication frequency bands in Korean code-division multiple-access (CDMA) mobile phone system. The cells were exposed to 835-MHz EMF alone or 835-MHz EMF combined with cyclophosamide(CPA) or 4-nitroquinoline-1-oxide (4NQO) at specific absorption rate (SAR) of 4.0 W $kg^{-l}$ for 24 and 48hrs. DNA damage expressed as tail moment was increased more than two-fold after exposure to 835-MHz EMF for 24 and 48hr. In particular, CPA for 48hr and 4NQO for 24 hr enhanced notably the tail moment to 9-fold and 16-fold in the presence of 835-MHz EMF, respectively, compared to each single treatment. From these results, it appears that exposure to CDMA-mobile phone radiation at 835-MHz frequency may potentiate DNA strand breaks of mouse thymic lymphoma L5178Y $Tk^{+/1-}$;cells under the defined conditions of this study.
An, Jung-Hee;Back, Myung-Hwa;Kim, Jae-Sung;Jeong, Jeong-Hag;Kwon, Soon-Tae
Journal of Plant Biotechnology
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v.31
no.3
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pp.225-230
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2004
We employed single cell gel electrophoresis method (comet assay) to analyze the degree of nucleus-DNA damage in the leaves of red pepper (Capsicum annuum L.) seedlings exposed to $^{60}$ CO v-radiation stress. Nucleus-DNA damage was measured as the ratio of tail length (T) to head length (H) in individual comet image isolated from pepper leaf cell. The T/H ratio of control-cells and treated-cells at 50 or 100 Gy were 1.28 and 3.54 or 3.39, respectively, suggesting that nuclei of pepper cells were severely damaged in the integrity of DNA strand by the treatment of enhanced v-radiation. The percentage of head-DNA in control-cells was 76.8%, whereas those of 50 and 100 Gy treated-cells were 55.9% and 59.9%, respectively. Pretreatment of low dose (4 to 20 Gy) radiation to seeds decreased DNA-damage in the leaves of seedlings treated with high dose radiation at 50 or 100 Gy. In this experiment, we developed a sensitive, reliable and rapid method for evaluating genotoxic effect in the nuclei of plant cells by employing comet assay.
Kang, Changgeun;Lee, Hyungkyoung;Yoo, Yong-San;Hah, Do-Yun;Kim, Chung Hui;Kim, Euikyung;Kim, Jong Shu
Toxicological Research
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v.29
no.1
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pp.43-52
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2013
Zearalenone (ZEN) is a non-steroidal estrogenic mycotoxin produced by several species of Fusarium that are found in cereals and agricultural products. ZEN has been implicated in mycotoxicosis in farm animals and in humans. The toxic effects of ZEN are well known, but the ability of an alkaline Comet assay to assess ZEN-induced oxidative DNA damage in Chang liver cells has not been established. The first aim of this study was to evaluate the Comet assay for the determination of cytotoxicity and extent of DNA damage induced by ZEN toxin, and the second aim was to investigate the ability of N-acetylcysteine amide (NACA) to protect cells from ZEN-induced toxicity. In the Comet assay, DNA damage was assessed by quantifying the tail extent moment (TEM; arbitrary unit) and tail length (TL; arbitrary unit), which are used as indicators of DNA strand breaks in SCGE. The cytotoxic effects of ZEN in Chang liver cells were mediated by inhibition of cell proliferation and induction of oxidative DNA damage. Increasing the concentration of ZEN increased the extent of DNA damage. The extent of DNA migration, and percentage of cells with tails were significantly increased in a concentration-dependent manner following treatment with ZEN toxin (p < 0.05). Treatment with a low concentration of ZEN toxin (25 ${\mu}M$) induced a relatively low level of DNA damage, compared to treatment of cells with a high concentration of ZEN toxin (250 ${\mu}M$). Oxidative DNA damage appeared to be a key determinant of ZEN-induced toxicity in Chang liver cells. Significant reductions in cytolethality and oxidative DNA damage were observed when cells were pretreated with NACA prior to exposure to any concentration of ZEN. Our data suggest that ZEN induces DNA damage in Chang liver cells, and that the antioxidant activity of NACA may contribute to the reduction of ZEN-induced DNA damage and cytotoxicity via elimination of oxidative stress.
Background: There have been various studies to investigate the mechanisms of DNA damage from low-energy electrons. To understand the mechanism of these strand breaks, it is necessary to investigate the dissociation mechanism of the DNA constituents, that is, bases, sugars, and phosphates. Materials and Methods: We studied the dissociation of thymine base upon interaction with low-energy electrons. For this experiment, thymine powder was pressed onto the indium base and irradiated by 5 eV electrons. Results and Discussion: Non-irradiated and irradiated thymine samples were compared and analyzed using the X-ray photoelectron spectroscopic technique to analyze the dissociation patterns of the molecular bonds after low-energy electron irradiation of thymine. Conclusion: With 5 eV electron irradiation, C-C and N-C = O bonds are the primary dissociations that occur in thymine molecules.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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