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Investigating the interplay of replication, transcription, and BER for the induction of DSBs after oxidative stress

Pfeffel, Daniel (2022)
Investigating the interplay of replication, transcription, and BER for the induction of DSBs after oxidative stress.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00022399
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Investigating the interplay of replication, transcription, and BER for the induction of DSBs after oxidative stress
Language: English
Referees: Löbrich, Prof. Dr. Markus ; Cardoso, Prof. Dr. M. Cristina
Date: 2022
Place of Publication: Darmstadt
Collation: VII, 86, VIII-XXX Seiten
Date of oral examination: 26 August 2022
DOI: 10.26083/tuprints-00022399
Abstract:

Every day, a variety of different deoxyribonucleic acid (DNA) lesions occur in our genome, threatening the integrity and inheritance of genetic information. The lesions that occur are diverse and may have distinct consequences. The damage to DNA is thereby often caused by reactive oxygen species (ROS). These can be generated both endogenously and exogenously and can be responsible for the occurrence of various lesions. One of the most common DNA damage related to ROS is oxidative base modification. Several hundreds of these occur spontaneously in our genome every day and require efficient and correct repair via base excision repair (BER). However, several studies in recent years have demonstrated that the repair process of modified bases, and in particular the most abundant oxidative base modification 8-oxoguanine (8-oxoG), appears to be involved in the formation of the most dangerous lesion, the DNA double-strand break (DSB). In this work, the DSB inducing effect of oxidative stress was investigated by treatment with the established oxidative agent H2O2. A cell cycle-specific analysis was performed, which demonstrated the induction of DSBs mainly in the synthesis phase (S phase) of the cell cycle. These breaks were almost exclusively repaired via the homologous recombination (HR) repair pathway, and thus, the emergence of replication-associated one-ended DSBs was assumed. Inhibition of replication thereby led to a significant reduction of DSBs in S phase and confirmed their dependence on the replication process. In addition, a comparable reduction in induced DSBs was demonstrated by inhibition of transcription. Follow-up studies using the proximity ligation assay (PLA) confirmed the occurrence of replication-transcription conflicts after treatment with H2O2, thus identifying these events as the reason for the formation of DSBs. Replication-transcription conflicts usually occur when obstacles in the DNA interfere with the progression of one or both of these two processes. H2O2 treatment induces, to a large extent, the oxidative base modification 8-oxoG which can be removed by the BER mechanism and replaced with a correct base via the formation of a single-strand break (SSB). This work demonstrates that the initiation of BER by the specific 8-oxoguanine glycosylase (OGG1) is required for DSB formation after H2O2 treatment. Inhibition of this initiation resulted in decreased DSB numbers, which in contrast greatly increased if the repair of SSBs was prevented. The removal of the damaged base and the resulting SSB are the reason for the occurence of conflicts between replication and transcription. Due to the involvement of both replication and transcription in the formation of DSBs after H2O2 treatment, break induction should only be able to occur in regions with active transcription. As confirmed by sequencing results in this work, the breaks induced by H2O2 occur more frequently in regions of elevated transcription. In addition, an increased density of genes and GC content could be detected for these regions. This shows that the breaks induced by H2O2 occur in gene-rich regions with strong transcription. Furthermore, it could be observed that this process of DSB induction also takes place without H2O2 treatment in unbertubed, proliferating cells. Thus, it is assumed that this process is significantly involved in the induction of endogenous breaks. A mechanism was elaborated specifically occuring in S phase, requiring the interplay of replication, transcription, as well as BER. This mechanism can explain the mutagenic effect of ROS, which plays an important role in the development of various diseases and clarifies the significance of simple base modifications for the fate of a cell.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Tagtäglich entsteht in unserem Genom eine Vielzahl unterschiedlicher DNA-Schäden, welche die Integrität und eine korrekte Weitergabe der Erbinformation bedrohen. Die auftretenden Läsionen sind dabei vielfältig und besitzen unterschiedlich starke Auswirkungen. Die Ursache für die Schädigung der DNA ist dabei häufig auf reaktive Sauerstoffspezies zurückzuführen. Diese können sowohl endogen als auch exogen erzeugt werden und sind verantwortlich für das Auftreten verschiedener Läsionen in der DNA. Eine der am häufigsten auftretenden DNA Schäden, in Verbindung mit reaktiven Sauerstoffspezies, ist dabei die oxidative Basenmodifikation. Diese tritt jeden Tag zu mehreren Hunderten spontan in unserem Genom auf und benötigt eine effiziente und korrekte Reparatur über die Basenexzisionsreparatur. Mehrere Studien konnten jedoch in den letzten Jahren nachweisen, dass der Reparaturprozess von modifizierten Basen und insbesondere der am häufigsten vorkommenden oxidative Basenmodifikation 8-oxoG an der Entstehung der weitaus gefährlicheren DNA Doppelstrangbrüche beteiligt zu sein scheint. In dieser Arbeit wurde die DSB-induzierende Wirkung von oxidativem Stress durch die Behandlung mit dem etablierten, oxidierenden Agens H2O2 untersucht. Mit Hilfe einer Zellzyklus-spezifische Analyse wurde eine Induktion von DSBs hauptsächlich in der S Phase des Zellzyklus nachgewiesen. Diese Brüche wurden fast ausschließlich über den Reparaturweg der Homologen Rekombination repariert. Dies deutete darauf hin, dass es sich hierbei um Replikations-assoziierte ein-endige DSBs handelt. Die Abhängigkeit vom Replikationsprozess konnte durch eine signifikante Reduktion der DSBs in der S Phase nach einer Inhibierung der Replikation bestätigt werden. Darüber hinaus konnte eine vergleichbare Reduktion der induzierten DSBs durch eine Inhibierung der Transkription nachgewiesen werden. Nachfolgende Untersuchungen mit dem PLA bestätigten das Auftreten von Replikations-Transkriptions-Konflikten nach einer Behandlung mit H2O2 und identifizierten diesen Prozess als Ursache für die Ausbildung der DSBs. Replikations-Transkriptions Konflikte treten in der Regel auf, wenn Hindernisse in der DNA das Fortschreiten eines oder beider Prozesse behindern. Durch eine H2O2-Behandlung wird zu einem Großteil die oxidative Basenmodifikation 8-oxoG induziert. Diese kann im Zuge der BER entfernt und über die Ausbildung eines SSBs mit der korrekten Base ersetzt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde festgestellt, dass eine Initiierung der BER durch die spezifische Glykosylase OGG1 für die Ausbildung der DSBs erforderlich ist. Während eine Inhibierung der Einleitung der BER zu einer verringerten DSB-Induktion führte, nahm diese stark zu, wenn eine Reparatur der SSBs unterbunden wurde. Die Entfernung der beschädigten Base und der daraus resultierende SSB ist die Ursache für das Auftreten von Konflikten zwischen der Replikation und der Transkription. Die Beteiligung der Replikation sowie der Transkription in der Induktion von DSBs nach einer H2O2-Behandlung legen die Annahme nahe, dass die DSBs nur in Regionen der aktiven Transkription auftreten sollten. Wie die Sequenzierungsergebnisse in dieser Arbeit bestätigen, treten die durch H2O2 induzierten Brüche vermehrt in Regionen mit erhöhter Transkription auf. Zusätzlich konnte für diese Regionen eine erhöhte Gendichte und auch ein erhöhter GC Gehalt nachgewiesen werden. Dies zeigt, dass die durch H2O2 induzierten Brüche in genreichen Regionen mit starker Transkription auftreten. Darüber hinaus konnte beobachtet werden, dass dieser Prozess der DSB-Induktion auch ohne H2O2 Behandlung in unbehandelten, proliferierenden Zellen auftritt. Es wird daher vermutet, dass dieser Prozess maßgeblich an der Induktion von endogenen Brüchen beteiligt ist. Es wurde damit ein Mechanismus der DSB-Induktion identifiziert, der spezifisch in der S Phase auftritt und das Zusammenspiel von Replikation, Transkription sowie der BER erfordert. Dieser Prozess kann zur mutagenen Wirkung von reaktiven Sauerstoffspezies beitragen, welche bei der Entstehung verschiedener Krankheiten eine wichtige Rolle spielen, wodurch die Bedeutung einfacher Basenmodifikationen für das Schicksal einer Zelle verdeutlicht wird.

German
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-223992
Classification DDC: 500 Science and mathematics > 500 Science
500 Science and mathematics > 570 Life sciences, biology
Divisions: 10 Department of Biology > Radiation Biology and DNA Repair
Date Deposited: 29 Sep 2022 06:46
Last Modified: 30 Sep 2022 06:13
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/22399
PPN: 499791517
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