The effect of radioprotective ginseng protein fraction on DNA repair capacity was determined by measuring the amount of $^{3}H-thymidine$ incorporated into DNA in the process of repair synthesis for UV damaged DNA. CHO-Kl cells were prepared whose semiconservative replication was inhibited by trimethylpsoralen plus near-UV(PUVA) treatment. When the cells were exposed to UV light alone, the DNA repair capacity was increased at first and then decreased as UV dose increased. However, when the ginseng fraction was treated to the cells, the DNA repair capacity was kept increasing regardless of UV dose increment. When the concentration of protein contained in the added fraction was increased gradually, the repair capacity was also increased almost linearly showing dose-response relationship of the effect. These results suggest that the enhancement of DNA repair capacity of the cell can be one of the mechanisms of radioprotection by the ginseng fraction.
Proceedings of the Korean Society of Toxicology Conference
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2006.11a
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pp.55-64
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2006
The fetal central nervous system (CNS) is sensitive to diverse environmental factors, such as alcohol, heavy metals, irradiation, mycotoxins, neurotransmitters, and DNA damage, because a large number of processes occur during an extended period of development. Fetal neural damage is an important issue affecting the completion of normal CNS development. As many concepts about the brain development have been recently revealed, it is necessary to compare the mechanism of developmental abnormalities induced by extrinsic factors with the normal brain development. To clarify the mechanism of fetal CNS damage, we used one experimental model in which 5-azacytidine (5AZC), a DNA damaging and demethylating agent, was injected to the dams of rodents to damage the fetal brain. 5AzC induced cell death (apoptosis)and cell cycle arrest in the fetal brain, and it lead to microencephaly in the neonatal brain. We investigated the mechanism of apoptosis and cell cycle arrest in the neural progenitor cells in detail, and demonstrated that various cell cycle regulators were changed in response to DNA damage. p53, the guardian of genome, played a main role in these processes. Further, using DNA microarray analysis, tile signal cascades of cell cycle regulation were clearly shown. Our results indicate that neural progenitor cells have the potential to repair the DNA damages via cell cyclearrest and to exclude highly affected cells through the apoptotic process. If the stimulus and subsequent DNA damage are high, brain development proceeds abnormally and results in malformation in the neonatal brain. Although the mechanisms of fetal brain injury and features of brain malformation afterbirth have been well studied, the process between those stages is largely unknown. We hypothesized that the fetal CNS has the ability to repair itself post-injuring, and investigated the repair process after 5AZC-induced damage. Wefound that the damages were repaired by 60 h after the treatment and developmental processes continued. During the repair process, amoeboid microglial cells infiltrated in the brain tissue, some of which ingested apoptotic cells. The expressions of genes categorized to glial cells, inflammation, extracellular matrix, glycolysis, and neurogenesis were upregulated in the DNA microarray analysis. We show here that the developing brain has a capacity to repair the damage induced by the extrinsic stresses, including changing the expression of numerous genes and the induction of microglia to aid the repair process.
Chinese hamster ovary (CHO)-K1 cells echibited a differential sensitivity in the process of DNA repair synthesis induced by ethyl methanesulfonate (EMS) or bleomycin (BLM) in relation to cell cycle. Two assays were employed in this study: alkaline elution and unscheduled DNA synthesis. The post-treat-ment with aphidicolin (APC), an inhibitor of DNA polymerase alpha, inhibited DNA repair synthesis induced by EMS in G2 phase, while APC did not show any effect on BLM-induced DNA repair synthesis in all phases. On the other hands, the 2', 3'-dideoxythymidine (ddTTP), an inhibitor of DNA polymerase beta, inhibited DNA repair synthesis induced by EMS or BLM in both of G1 and G2 phases. These results suggested that the involvement of DNA polymerase alpha and beta in DNA repair was dependent on cell stage or used chemical agent.
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.
Human ribosomal protein S3 (rpS3), which has a DNA repair endonuclease activity, is a multifunctional protein. This protein is involved in DNA repair, translation, and apoptosis. In particular, rpS3 has a lyase activity, which cleaves the phosphodiester bond of damaged sites such as cyclobutane pyrimidine dimers and AP sites. Here, using deletion analysis, we identified that the repair endonuclease domain resides in the C-terminal region (165-243 aa) of rpS3. We also found that ectopic expression of GST-rpS3 in bacterial strain BL21 promoted the resistance of these cells to ultraviolet (UV) radiation and hydrogen peroxide ($H_{2}O_{2}$) treatment. The repair domain of rpS3 was sufficient to exhibit the resistance to UV irradiation and recover cell growth and viability, showing that the repair activity of rpS3 is responsible for the resistance to UV irradiation. Our study suggests that rpS3 is able to process DNA damage in bacteria via its repair domain, showing the resistance to genotoxic stress. This implies that rpS3-like activity could be operative in bacteria.
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.
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.
Oxidized abasic residues arise as a major class of DNA damage by a variety of agents involving free radical attack and oxidation of deoxyribose sugar components. 2-deoxyribonolactone (dL) is a C1'-oxidized abasic lesion implicated in DNA strand scission, mutagenesis, and covalent DNA-protein cross-link (DPC). We show here that mammalian cell-free extract give rise to stable DPC formation that is specifically mediated by dL residue. When a duplex DNA containing dL at the site-specific position was incubated with cell-free extracts of Po ${\beta}-proficient$ and -deficient mouse embryonic fibroblast cells, the formation of major dL-mediated DPC was dependent on the presence of DNA polymerase (Pol) ${\beta}$. Formation of dL-specific DPC was also observed with histones and FEN1 nuclease, although the reactivity in forming dL-mediated DPC was significantly higher with Pol ${\beta}$ than with histones or FEN1. DNA repair assay with a defined DPC revealed that the dL lesion once cross-linked with Pol ${\beta}$ was resistant to nucleotide excision repair activity of cell-free extract. Analysis of nucleotide excision repair utilizing a model DNA substrate containing a (6-4) photoproduct suggested that excision process for DPC was inhibited because of DNA single-strand incision at 5' of the lesion. Consequently DPC mediated by dL lesion may not be readily repaired by DNA excision repair pathway but instead function as unusual DNA damage causing a prolonged DNA strand break and trapping of the major base excision repair enzyme.
Background: Reactive oxygen and nitrogen are produced by rheumatoid arthritis (RA) synovial tissue and can induce mutations in key genes. Normally, this process is prevented by a DNA mismatch repair (MMR) system that maintains sequence fidelity. Key members of the MMR system include MutS${\alpha}$ (comprised of hMSH2 and hMSH6), which can sense and repair single base mismatches and 8-oxoguanine, and MutS${\beta}$ (comprised of hMSH2 and hMSH3), which repairs longer insertion/deletion loops. Methods: To provide further evidence of DNA damage, we analyzed synovial tissues for microsatellite instability (MSI). MSI was examined by PCR on genomic DNA of paired synovial tissue and peripheral blood cells (PBC) of RA patients using specific primer sequences for 5 key microsatellites. Results: Surprisingly, abundant MSI was observed in RA synovium compared with osteoarthritis (OA) tissue. Western blot analysis of the same tissues for the expression of MMR proteins demonstrated decreased hMSH6 and increased hMSH3 in RA synovium. To evaluate potential mechanisms of MMR regulation in arthritis, fibroblast-like synoviocytes (FLS) were isolated from synovial tissues and incubated with the nitric oxide donor S-nitroso-N-acetylpenicillamine (SNAP). Western blot analysis demonstrated constitutive expression of hMSH2, 3 and 6 in RA and OA FLS. When FLS were cultured with SNAP, the RA synovial pattern of MMR expression was reproduced (high hMSH3, low hMSH6). Conclusion: Therefore, oxidative stress can relax the DNA MMR system in RA by suppressing hMSH6. Decreased hMSH6 can subsequently interfere with repair of single base mutations, which is the type observed in RA. We propose that oxidative stress not only creates DNA adducts that are potentially mutagenic, but also suppresses the mechanisms that limit the DNA damage.
The significance of cell ploidy and repair ability for the radioprotective efficiency of cysteamine was studied in DNA repair - proficient and repair - deficient yeast cells irradiated $^{60}C0\;\gamma-rays.$ Results have been obtained for the cell survival of two groups of yeasts-diplont and haplont cells, both in haploid and diploid states. For diploid Saccharomyces cerevisiae yeast cells, the correlation between the radio-protective action of cysteamine and the cell repair capacity was demonstrated. Such a correlation was not clearly expressed for haploid yeast cells. In addition, evidence was obtained indicating that the degree of the radioprotective action was independent of the number of chromosome sets in haplont yeast Pichia guilliermondii cells and in some radiosensitive mutants defective in the diploid-specific recovery. It is concluded on this basis that the radioprotective action may involve the cellular recovery process, which may be mediated by a recombination-like mechanism, for which the diploid state is required. The results obtained clearly show that the radioprotective effect was dependent on DNA repair status and indicate that the mechanism of the radioprotective action may be realized on the level of primary radiation damage production as well as on the level of postradiation recovery from potentially lethal radiation damage.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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