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Biological consequences of alteration of cellular poly(ADP-ribose) polymerase-1 expression in rodent cells

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Biologische Konsequenzen einer Veränderung der zellulären Poly(ADP-Ribose) Polymerase-1 Expression in Nager-Zellen
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Dissertation
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Zusammenfassung

Poly(ADP-ribosyl)ation is a posttranslational modification of cellular proteins mostly catalysed by poly(ADP-ribose) polymerase-1 (PARP-1) and to a lesser extent by PARP-2. PARP-1 and PARP-2 use NAD+ as substrate in response to cellular exposure to various DNA-damaging agents to form the biopolymer poly(ADP-ribose) (PAR). On the one hand, poly(ADP-ribosyl)ation is a key regulator of genomic stability under conditions of genotoxic stress where PARP-1 plays a major role in DNA repair, transcription regulation and recovery of cells after DNA damage. On the other hand, massive poly(ADP-ribosyl)ation induced by severe acute DNA damage results in rapid depletion of cellular NAD+ and ATP pools, which can lead to cell death.
In three sub-projects, this study aimed to explore the role of PARP-1 in DNA repair and cell death using in vitro as well as in vivo models:
(i) PARP-1 is involved in a number of pathophysiological conditions such as diabetes, inflammation and stroke, consequently, pharmacological inhibitors of PARP have the potential to elicit beneficial effects in these diseases. In the first part of the present study, a new PARP inhibitor, BYK204165, was examined for inhibition of PAR-synthesis in H2O2-treated 3T3 fibroblasts from Parp-1+/+ and Parp-1-/- mice, where the 100-fold PARP-1 selectivity of the compound was confirmed by its failure to inhibit PARP-2 in both cell lines. The new compound might provide a novel and convenient functional tool toward the assessment of the contribution of PARP-1 and PARP-2 related PAR formation in intact cells, because the enzymatic activity of the two isoforms can be distinguished by use of a selective PARP-1 inhibitor.
(ii) Since inhibition of PAR formation generally influences DNA repair mechanisms, the second part of the study explored the consequences of stably overexpressed human PARP-1 (hPARP 1) in Chinese hamster cells (COMF10) on the cytotoxicity induced by alkylating agents (MMS, MNNG) and X-irradiation. Measurements of apoptosis, necrosis, DNA repair and genomic stability were taken as experimental endpoints. Analysis of cell viability after treatment with MMS and MNNG revealed consistently larger fractions of necrotic cells in the COMF10 cells compared to control. Furthermore, DNA repair kinetic measurements after X irradiation of hPARP-1 overexpressing murine lymphoma EL-4 cells, demonstrated acceleration in DNA repair, whereas pharmacological inhibition of PARP by PJ34 delayed and reduced DNA repair capacity.
(iii) Finally, it was intended to generate an in vivo system for tissue-specific overexpression of hPARP-1 protein in mice. Therefore, 18 transgenic founder mice were generated by DNA microinjection with a transgene comprising hPARP-1 cDNA under the control of a strong promoter. The transcription is "locked" by a Stop-sequence that can be eliminated in vivo by expression of Cre recombinase as a result of crossing with appropriate transgenic tissue-specific "Cre-deleter" mice (at first T-cell specific). Unexpectedly however, although mRNA transcripts of the hPARP-1 transgene could be found in their offspring, for largely unknown reasons its respective protein expression could not be detected. Its failure on the level of translation possibly could be due to unexpected transcriptional start sites within the transgene. Therefore, an alternative approach should be used for follow-up projects in order to obtain hPARP-1-overexpressing mice.
In summary, studies within the work of this thesis contributed to the disposal of a novel and selective PARP-1 inhibitor, which provides a valuable tool to dissect different roles of PARP 1 and PARP-2 in cellular functions (Eltze et al., 2008). Moreover, it was shown that overexpression of hPARP-1 in rodent cells has two important consequences. Its overexpression leads to an increased DNA repair capacity after X-irradiation, but on the other hand also to an increased susceptibility to DNA damage in response to alkylating agents or PARP inhibition, demonstrating the dual role of PARP-1 in mechanisms of DNA repair and cell death (Eltze and Kunzmann et al., submitted). Finally, novel transgenic mice with intended tissue-specific overexpression of hPARP-1 were generated and characterized on a genetic level. Unexpectedly, despite cell culture validation of the expression construct and transgene expression on the mRNA level, no protein expression of the transgene could be detected in these mice for largely unknown reasons. This outcome needs to be considered in future approaches aiming at the generation of hPARP-1 transgenic mice.

Zusammenfassung in einer weiteren Sprache

Die Poly(ADP-ribosyl)ierung stellt eine der Translation nachgeschalte Modifizierung zellulärer Proteine dar, die hauptsächlich durch die Poly(ADP-ribose) Polymerase-1 (PARP 1) und in kleinerem Ausmaß durch die PARP-2 katalysiert wird, welche unter Verwendung des Substrates NAD+ als Reaktion der Zelle auf verschiedenartige DNA-Schädigungen das Biopolymer Poly(ADP-ribose) (PAR) bilden. Einerseits kann die Poly(ADP-ribosyl)ierung als ein Hauptregulator genomischer Stabilität unter Bedingungen genotoxischen Stresses aufgefasst werden, wobei der PARP-1 vorwiegend Aufgaben bei der DNA-Reparatur und der Wiederherstellung der Zellfunktion nach DNA-Schädigung zufallen. Andererseits kann eine zu ausgeprägte Poly(ADP-ribosyl)ierung, wie sie nach einer schwerwiegenden und akuten DNA-Schädigung induziert wird, durch schnelle Entleerung des zellulären NAD+- und ATP-Spiegels zum Zelltod führen.
Ziel war die Untersuchung der Rolle von PARP-1 bei der DNA-Reparatur und beim Zelltod unter Verwendung von in vitro und in vivo Modellen, die sich in drei Teilprojekte gliedern lässt.
(i) Bei vielen pathophysiologischen Prozessen, wie z. B. Diabetes, Entzündungen und Schlaganfall, ist eine Beteiligung von PARP-1 erwiesen, folglich können pharmakologische Hemmstoffe des Enzyms günstige Effekte auf diese Krankheiten aufweisen. Im ersten Teil wurde ein neuer PARP-Inhibitor, BYK204165, in seiner Wirkung auf H2O2-induzierte PAR-Synthese in 3T3 Fibroblasten aus Parp-1+/+ und Parp-1-/- Mäusen untersucht; dabei wurde seine 100-fache Selektivität für PARP-1 bei gleichzeitig ausbleibender Hemmung der PARP-2 in beiden Zell-Linien bestätigt. Dieser Inhibitor ist somit ein neuartiges und geeignetes Instrument zur Abschätzung der jeweiligen Beteiligung von PARP 1 und PARP-2 auf die PAR-Synthese in intakten Zellen, da die Enzymaktivitäten beider Isoformen durch einen selektiven PARP-1 Inhibitor diskriminiert werden können.
(ii) Im zweiten Teil der Arbeit sollte der Frage nachgegangen werden, welche Auswirkung eine stabile Überexpression von humaner PARP-1 (hPARP-1) in einer Chinesischen Hamster Zell-Linie (COMF10) auf ihre Zytotoxizität nach Behandlung mit alkylierenden Agenzien (MMS, MNNG) und Röntgenbestrahlung hat. Bei der Analyse der Lebensfähigkeit der durch MMS und MNNG geschädigten COMF10-Zellen zeigte sich im Vergleich zu unbehandelten Zellen ein einheitlich höherer Anteil nekrotischer Zellen. Darüber hinaus zeigten Messungen zur Kinetik der DNA-Reparatur nach Röntgenbestrahlung von hPARP-1 überexprimierenden Maus-Lymphom EL 4 Zellen eine Beschleunigung der Reparatur, wogegen eine pharmakologische PARP-Hemmung durch PJ34 die DNA-Reparaturleistung verzögert und ihr Ausmass reduziert.
(iii) Abschliessend wurde versucht, ein in vivo Modellsystem mit gewebsspezifischer Überexpression von hPARP-1 bei Mäusen zu etablieren. Die generierten transgenen Mäuse enthielten unter der Kontrolle eines starken Promoters humane PARP-1 cDNA, unterbrochen durch eine transkriptionelle "Stop-Sequenz", deren Expression anschließend in vivo durch Einwirkung von Cre Recombinase "freigeschaltet" wird, indem diese Founder-Tiere mit Cre-transgenen Mäusen mit gewebsspezifischer (vor allem T-Zellen) Cre Recombinase-Expression verpaart wurden. Obwohl in deren Nachkommen mRNA-Transkripte für hPARP 1 nachgewiesen werden konnten, kam es aus bisher weitgehend unbekannten Gründen zu keiner Protein-Expression. Ihr Fehlschlagen auf der Ebene der Translation kann möglicherweise durch nicht vorhersehbare transkriptionelle "Start-Stellen" im Transgen verursacht worden sein.
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die im Rahmen dieser Dissertation durchgeführten Experimente zur Verwendung eines neuen und selektiven PARP-1 Inhibitors beitragen, der ein wertvolles Instrument zur Analyse unterschiedlicher Rollen von PARP-1 und PARP-2 bei zellulären Funktionen darstellt (Eltze et al., 2008). Daneben konnte gezeigt werden, dass eine Überexpression von hPARP-1 in Nagerzellen zwei wichtige Auswirkungen hat. Ihre Überexpression führt zu einer erhöhten DNA-Reparaturleistung nach Röntgenbestrahlung, andererseits jedoch auch zu einer verstärkten Anfälligkeit für DNA-Schäden, die durch alkylierende Agenzien oder PARP-Inhibition ausgelöst werden, wodurch die doppelte Funktion der PARP-1 sowohl für die DNA-Reparatur als auch für den Zelltod verdeutlicht wird (Eltze and Kunzmann et al., submitted). Schliesslich wurden neuartige transgene Mäuse mit beabsichtigt gewebsspezifischer Überexpression von hPARP-1 generiert und auf genetischer Grundlage charakterisiert. Unerwarteterweise konnte jedoch, trotz Validierung des Expressionskonstrukts durch Zellkultur-Experimente und Expression des Transgens auf mRNA-Ebene, aus weitgehend unbekannten Gründen keine Protein-Expression des Transgens in diesen Mäusen nachgewiesen werden.

Fachgebiet (DDC)
570 Biowissenschaften, Biologie

Schlagwörter

Cre-Rekombinase, Poly(ADP-Ribose) Polymerase-1, Transgene Mäuse, Alkylantien, Alkylating agents, DNA-repair, T-lymphocytes, Transgenic mice, DNA damage

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ISO 690ELTZE, Tobias, 2009. Biological consequences of alteration of cellular poly(ADP-ribose) polymerase-1 expression in rodent cells [Dissertation]. Konstanz: University of Konstanz
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November 27, 2009
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