Genomic instability, which occurs through both genetic mechanisms (underlying inheritable phenotypic variations caused by DNA sequence-dependent alterations, such as mutation, deletion, insertion, inversion, translocation, and chromosomal aneuploidy) and epigenomic aberrations (underlying inheritable phenotypic variations caused by DNA sequence-independent alterations caused by a change of chromatin structure, such as DNA methylation and histone modifications), is known to promote tumorigenesis and tumor progression. Mechanisms involve both genomic instability and epigenomic aberrations that lose or gain the function of genes that impinge on tumor suppression/prevention or oncogenesis. Growing evidence points to an epigenome-wide disruption that involves large-scale DNA hypomethylation but specific hyper-methylation of tumor suppressor genes, large blocks of aberrant histone modifications, and abnormal miRNA expression profile. Emerging molecular details regarding the modulation of these epigenetic events in cancer are used to illustrate the alterations of epigenetic molecules, and their consequent malfunctions could contribute to cancer biology. More recently, intriguing evidence supporting that genetic and epigenetic mechanisms are not separate events in cancer has been emerging; they intertwine and take advantage of each other during tumorigenesis. In addition, we discuss the collusion between epigenetics and genetics mediated by heterochromatin protein 1, a major component of heterochromatin, in order to maintain genome integrity.
Head and neck cancers (HNC) are extremely complex disease types and it is likely that chromosomal instability is involved in the genetic mechanisms of its genesis. However, there is little information regarding the background levels of chromosome instability in these patients. In this pilot study, we examined spontaneous chromosome instability in short-term lymphocyte cultures (72 hours) from 72 study subjects - 36 newly diagnosed HNC squamous cell carcinoma patients and 36 healthy ethnic controls. We estimated chromosome instability (CIN) using chromosomal aberration (CA) analysis and nuclear level anomalies using the Cytokinesis Block Micronucleus Cytome Assay (CBMN Cyt Assay). The proliferation rates in cultures of peripheral blood lymphocytes (PBL) were assessed by calculating the Cytokinesis Block Proliferation Index (CBPI). Our results showed a significantly higher mean level of spontaneous chromosome type aberrations (CSAs), chromatid type aberration (CTAs) dicentric chromosomes (DIC) and chromosome aneuploidy (CANE UP) in patients (CSAs, $0.0294{\pm}0.0038$; CTAs, $0.0925{\pm}0.0060$; DICs, $0.0213{\pm}0.0003$; and CANE UPs, $0.0308{\pm}0.0035$) compared to controls (CSAs, $0.0005{\pm}0.0003$; CTAs, $0.0058{\pm}0.0015$; DICs, $0.0005{\pm}0.0003$; and CANEUPs, $0.0052{\pm}0.0013$) where p<0.001l. Similarly, spontaneous nuclear anomalies showed significantly higher mean level of micronuclei (MNi), nucleoplasmic bridges (NPBs) and nuclear buds (NBUDs) among cases (MNi, $0.01867{\pm}0.00108$; NPBs, $0.0156{\pm}0.00234$; NBUDs, $0.00658{\pm}0.00068$) compared with controls (MNi, $0.00027{\pm}0.00009$; NPBs, $0.00002{\pm}0.00002$; NBUDs, $0.00011{\pm}0.00007$).The evaluation of CBPI supported genomic instability in the peripheral blood lymphocytes showing a significantly lower proliferation rate in HNC patients ($1.525{\pm}0.005552$) compared to healthy subjects ($1.686{\pm}0.009520$) (p<0.0001). In conclusion, our preliminary results showed that visible spontaneous genomic instability and low rate proliferation in the cultured peripheral lymphocytes of solid tumors could be biomarkers to predict malignancy in early stages.
Genomic instability and altered metabolism are key features of most cancers. Recent studies suggest that metabolic reprogramming is part of a systematic response to cellular DNA damage. Thus, defining the molecules that fine-tune metabolism in response to DNA damage will enhance our understanding of molecular mechanisms of tumorigenesis and have profound implications for the development of strategies for cancer therapy. Sirtuins have been established as critical regulators in cellular homeostasis and physiology. Here, we review the emerging data revealing a pivotal function of sirtuins in genome maintenance and cell metabolism, and highlight current advances about the phenotypic consequences of defects in these critical regulators in tumorigenesis. While many questions should be addressed about the regulation and context-dependent functions of sirtuins, it appears clear that sirtuins may provide a promising, exciting new avenue for cancer therapy.
As a scaffold, SLX4/FANCP interacts with multiple proteins involved in genome integrity. Although not having recognizable catalytic domains, SLX4 participates in diverse genome maintenance pathways by delivering nucleases where they are needed, and promoting their cooperative execution to prevent genomic instabilities. Physiological importance of SLX4 is emphasized by the identification of causative mutations of SLX4 genes in patients diagnosed with Fanconi anemia (FA), a rare recessive genetic disorder characterized by genomic instability and predisposition to cancers. Recent progress in understanding functional roles of SLX4 has greatly expanded our knowledge in the repair of DNA interstrand crosslinks (ICLs), Holliday junction (HJ) resolution, telomere homeostasis and regulation of DNA damage response induced by replication stress. Here, these diverse functions of SLX4 are reviewed in detail.
Whole-genome doubling (WGD), characterized by the duplication of an entire set of chromosomes, is commonly observed in various tumors, occurring in approximately 30-40% of patients with different cancer types. The effect of WGD on tumorigenesis varies depending on the context, either promoting or suppressing tumor progression. Recent advances in genomic technologies and large-scale clinical investigations have led to the identification of the complex patterns of genomic alterations underlying WGD and their functional consequences on tumorigenesis progression and prognosis. Our comprehensive review aims to summarize the causes and effects of WGD on tumorigenesis, highlighting its dualistic influence on cancer cells. We then introduce recent findings on WGD-associated molecular signatures and genetic aberrations and a novel subtype related to WGD. Finally, we discuss the clinical implications of WGD in cancer subtype classification and future therapeutic interventions. Overall, a comprehensive understanding of WGD in cancer biology is crucial to unraveling its complex role in tumorigenesis and identifying novel therapeutic strategies.
A degenerated strain of Pleurotus eryngii KNR2312 was isolated from a commercial farm. Random amplified polymorphic DNA analysis performed on the genomic DNA of the normal and degenerated strains of this species revealed differences in the DNA banding pattern. A unique DNA fragment (1.7 kbp), which appeared only in the degenerated strain, was isolated and sequenced. Comparing this sequence with the KNR2312 genomic sequence showed that the sequence of the degenerated strain comprised three DNA regions that originated from nine distinct scaffolds of the genomic sequence, suggesting that chromosome-level changes had occurred in the degenerated strain. Using the unique sequence, three sets of PCR primers were designed that targeted the full length, the 5' half, and the 3' half of the DNA. The primer sets P2-1 and P2-2 yielded 1.76 and 0.97 kbp PCR products, respectively, only in the case of the degenerated strain, whereas P2-3 generated a 0.8 kbp product in both the normal and the degenerated strains because its target region was intact in the normal strain as well. In the case of the P2-1 and P2-2 sets, the priming regions of the forward and reverse primers were located at distinct genomic scaffolds in the normal strain. These two primer sets specifically detected the degenerate strain of KNR2312 isolated from various mushrooms including 10 different strains of P. eryngii, four strains of P. ostreatus, and 11 other wild mushrooms.
청국장추출물과 청국장의 주요한 플라보노이드의 하나인 genistein의 HepG2 세포에서 Trp-P-1 유도 세포독성과 DNA손상에 대한 보호효과를 평가하였다. 청국장추출물과 주요 플라보노이드성분 genistein은 Trp-P-1 유도 세포독성에 대하여 세포독성보호효과를 나타내었다. 청국장추출물은 Trp-P-1 유도 DNA single strand breaks를 억제하였다. 한편, 청국장추출물은 HepG2 세포에서 Trp-P-1 유도에 의한 CYP1A1와 CYP1A2 발현의 억제를 나타내었다. 청국장추출물과 genistein은 Trp-P-1에 의한 유도 세포독성과 DNA손상에 대하여 CYP1A1, CYP1A2 발현억제에 의하여 보호효과가 나타나는 것으로 판단된다. 한국의 전통 콩발효식품인 청국장은 게놈 불안정성(genomic instability)을 일으키는 heterocyclic amines (HCAs)과 같은 식품의 가열조리로부터 올 수 있는 발암물질에 대한 유전독성을 예방할 수 있는 유망한 기능성물질로서 활용가능성이 있을 것으로 판단된다.
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.
The long terminal repeats (LTRs) of human endogenous retrovirus (HERV) have been found to be coexpressed with sequences of closely located genes. It has been suggested that the LTR elements have contributed to the structural change or genetic variation of human genome connected to various diseases and evolution. We examined the HERV-W LTR elements in various cancer cells (2F7, A43l , A549, HepG2, MIA-PaCa-2, PC-3, RT4, SiHa, U-937, and UO-31). Using genomic DNA from the cancer cells, we performed PCR amplification and identified twelve new HERV-W LTR elements. Those LTR elements showed a high degree of sequence similarity (88-99%) with HERV-W LTR (AF072500). A phylogenetic tree obtained by the neighbor-joining method revealed that HERV-W LTR elements could be mainly divided into two groups through evolutionary divergence. Three HERV-W LTR elements (RT4-2, A43l-1, and UO3l-2) belonged to Group 1, whereas nine LTR elements (2F7-2, A549-1, A549-3, HepG2-3, MP2-2, PC3-1, SiHa-8, SiHa-10, and U937-1) belonged to Group 11. Taken together, our new sequence data of the HERV-W LTR elements may contribute to an understanding of tissue-specific cancer by genomic instability of LTR integration.
Telomeres consist of tandem guanine-thymine(G-T) repeats in most eukaryotic chromosomes. Human telomeres are predominantly linear, double stranded DNA as they ended in 30-200 nucleotides(bases,b) 3'-overhangs. In DNA replication, removal of the terminal RNA primer from the lagging strand results in a 3'-overhang of uncopied DNA. This is because of bidirectional DNA replication and specificity of unidirectional DNA polymerase. After the replication, parental and daughter DNA strands have unequal lengths due to a combination of the end-replication problem and end-processing events. The gradual chromosome shortening is observed in most somatic cells and eventually leads to cellular senescence. Telomere shortening could be a molecular clock that signals the replicative senescence. The shortening of telomeric ends of human chromosomes, leading to sudden growth arrest, triggers DNA instability as biological switches. In addition, telomere dysfunction may cause chronic allograft nephropathy or kidney cancers. The renal cell carcinoma(RCC) in women may be less aggressive and have less genomic instability than in man. Younger patients with telomere dysfunction are at a higher risk for RCC than older patients. Thus, telomeres maintain the integrity of the genome and are involved in cellular aging and cancer. By studying the telomeric DNA, we may characterize the genetic determinants in diseases and discover the tools in molecular medicine.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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