The Nucleotide Excision Repair (NER) pathway is able to remove a vast diversity of structurally unrelated DNA lesions and is the only repair mechanism in humans responsible for the excision of UV induced DNA damages. The NER mechanism raises two fundamental questions: 1) How is DNA damage recognition achieved discriminating damaged from non damaged DNA? 2) How is DNA incision regulated preventing endonucleases to cleave DNA non specifically but induce and ensure dual incision of damaged DNA? Thus, the aim of this work was to investigate the mechanisms leading from recognition to incision of damaged DNA. To decipher the underlying process of damage recognition in a prokaryotic model system, the intention of the first part of this work was to co crystallize the helicase UvrB form Bacillus caldotenax together with a DNA substrate comprising a fluorescein adducted thymine as an NER substrate. Incision assays were performed to address the question whether UvrB in complex with the endonuclease UvrC is able to specifically incise damaged DNA employing DNA substrates with unpaired regions at different positions with respect to the DNA lesion. The results presented here indicate that the formation of a specific pre incision complex is independent of the damage sensor UvrA. The preference for 5’ bubble substrate suggests that UvrB is able to slide along the DNA favorably in a 5’ → 3’ direction until it directly encounters a DNA damage on the translocating strand to then recruit the endonuclease UvrC. In the second part of this work, the novel endonuclease Bax1 from Thermoplasma acidophilum was characterized. Due to its close association to archaeal XPB, a potential involvement of Bax1 in archaeal NER has been postulated. Bax1 was shown to be a Mg2+ dependent, structure specific endonuclease incising 3’ overhang substrates in the single stranded region close to the ssDNA/dsDNA junction. Site directed mutagenesis of conserved amino acids was employed to identify putative active site residues of Bax1. In complex with the helicase XPB, however, incision activity of Bax1 is altered regarding substrate specificity. The presence of two distinct XPB/Bax1 complexes with different endonuclease activities indicates that XPB regulates Bax1 incision activity providing insights into the physical and functional interactions of XPB and Bax1. / Die Nukleotid-Exzisions-Reparatur (NER) ist in der Lage, eine Vielfalt an strukturell unterschiedlichen DNA Schädigungen zu entfernen, und ist überdies der einzige DNA-Reparaturmechanismus im Menschen, der UV induzierte DNA-Schädigungen entfernen kann. Der NER Mechanismus impliziert zwei grundlegende Fragen: 1) Wie wird geschädigte DNA erkannt und worauf gründet sich die Unterscheidung zwischen geschädigter und nicht geschädigter DNA? 2) Wie wird das Schneiden der DNA reguliert? Wie wird unspezifisches Schneiden verhindert und sichergestellt, dass die geschädigte DNA auf beiden Seiten der Schädigung herausgeschnitten wird? Das Ziel dieser Arbeit war es daher, die Mechanismen zu untersuchen, die vom Erkennen zum Herausschneiden geschädigter DNA führen. Um im bakteriellen Modelsystem den zugrundeliegenden Prozess der Schadenserkennung zu entschlüsseln, sollte im ersten Teil dieser Arbeit die Helikase UvrB aus Bacillus caldotenax zusammen mit einem geschädigten DNA Substrat kristallisiert werden. Als Schädigung wurde ein Fluorescein-Molekül genutzt, das an eine Thymin-Base gekoppelt wurde. Biochemische Experimente wurden durchgeführt um herauszufinden, ob UvrB im Komplex mit der Endonuklease UvrC spezifisch geschädigte DNA schneiden kann. Dafür wurden DNA-Substrate eingesetzt, die ungepaarte Basen an verschiedenen Stellen bezüglich der DNA-Schädigung enthielten. Die hier gezeigten Ergebnisse deuten darauf hin, dass ein spezifischer Komplex gebildet werden kann, der auch unabhängig von dem Schadenssensor UvrA zum Schneiden der DNA befähigt ist. Die Schnitt-Präferenz für die 5‘ ungepaarte Region lässt vermuten, dass UvrB bevorzugt in 5‘→3‘ Richtung an der DNA entlanggleiten kann. Sobald UvrB auf eine Schädigung auf diesem DNA Strang trifft, wird die Endonuklease UvrC rekrutiert. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde die neuartige Endonuklease Bax1 aus Thermoplasma acidophilum charakterisiert. Aufgrund der engen Assoziation zu archaischem XPB wurde eine Beteiligung an der archaischen NER postuliert. Es konnte gezeigt werden, dass Bax1 eine Mg2+ abhängige, strukturspezifische Endonuklease ist, die 3‘-Überhang Substrate im Einzelstrangbereich nahe des Einzelstrang/Doppelstrang Überganges schneidet. Konservierte Aminosäuren wurden gezielt verändert, um diejenigen Reste zu identifizieren, die möglicherweise das aktive Zentrum bilden. Im Komplex mit der Helikase XPB veränderte sich jedoch das Schneideverhalten im Hinblick auf die Substratspezifizität. Die Existenz von zwei verschiedenen XPB/Bax1 Komplexen mit unterschiedlicher Aktivität bezüglich des Schnittverhaltens könnte darauf hinweisen, dass XPB Bax1 reguliert. Diese Beobachtung erlaubt zugleich Einblicke in die Interaktion von XPB und Bax1 auf physikalischer und funktioneller Ebene.

Bei einem Ungleichgewicht zwischen reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) und endogenen Antioxidantien (Glutathion (GSH), Superoxiddismutase (SOD), Katalase etc.) ist der oxidative Stress erhöht, was zur Oxidation von Lipiden, Proteinen und DNA führt. Obwohl auch oxidierte Lipide und Proteine mit steigendem Alter akkumulieren können, führen nur DNA-Oxidationen zu veränderter genomischer Information. Ein möglicher Signalweg für gesteigerte ROS-Produktion ist die Aktivierung des Enzyms NADPH-Oxidase (NOX) und die damit verbundene Generierung von ROS durch viele endogene und exogene Substanzen. p47phox ist ein cytosolisches Protein, das eine wichtige Rolle bei der NOX-Aktivierung spielt. Angiotensin II (Ang II) ist ein Beispiel für eine endogene Verbindung, die über NOX-Aktivierung ROS produziert. Rosuvastatin ist ein Arzneistoff mit antioxidativen Eigenschaften (Hochregulation endogener Antioxidantien). Es gehört zur Gruppe der Cholesterinsenker und reduziert ausserdem erhöhtes Auftreten des Angiotensin-II-Typ-1-Rezeptors (AT1R). Normalerweise ist oxidativer Stress im Alter und bei Alterskrankheiten (z. B. Parkinson-Krankheit) erhöht. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war, mit Hilfe unterschiedlicher Modelle in vitro und in vivo die Rolle von DNA-Schaden durch NOX-vermittelte ROS zu untersuchen und den Einfluss von ROS auf den Alterungsprozess und auf Alterskrankheiten zu bestimmen. / When there is an imbalance between reactive oxygen species (ROS) and endogenous antioxidants (glutathione (GSH), superoxide dismutase (SOD), catalase etc.) the oxidative stress is increased and results in the oxidation of lipids, proteins and DNA. Although oxidation of lipids and proteins may also accumulates with age, only DNA oxidation leads to altered genomic information. As one pathway for increased ROS production, many endogenous and exogenous substances activate NADPH oxidase (NOX) enzyme and produce ROS. p47phox is a cytosolic organizer protein which plays an important role in NOX activation. Angiotensin II (Ang II) is an example for an endogenous compound which causes ROS through NOX activation. Rosuvastatin is an example for a drug with antioxidative capacity (upregulation of endogenous antioxidants). It is a lipid lowering drug which also reduces an elevated level of angiotensin II type 1 receptor (AT1R). Commonly, oxidative stress is elevated in ageing and age related diseases (eg. Parkinson’s disease (PD)). The aim of the present study was to investigate the role of NOX derived ROS induced oxidative DNA damage and the influence of ROS in ageing and age related diseases, using different in vitro and in vivo models.

Agrobacterium tumefaciens ist ein pathogenes Bodenbakterium, welches nach Integration seiner T-DNA in das pflanzliche Genom die Bildung von tumorartigen Wucherungen, den sogenannten Wurzelhalsgallen, an einer Reihe unterschiedlicher Wirtspflanzen verursacht. Die Expression der T-DNA-codierten Onkogene resultiert in der Proliferation und Differenzierung der sogenannten Wurzelhalsgallen, einem Prozess, welcher mit weitreichenden transkriptionellen und physiologischen Veränderungen verbunden ist. Für DNA-Methylierungen ist bekannt, dass diese zu Genexpressionsveränderungen beitragen, welche neoplastisches Wachstum in Säugetieren begünstigen. Über die Funktion epigenetischer Prozesse für die Physiologie und Entwicklung pflanzlicher Tumore ist bisher hingegen wenig bekannt. Daher wurde in dieser Arbeit das Methylierungsmuster von Wurzelhalsgallen, welche an Arabidopsis thaliana induziert wurden, sowohl genomweit als auch auf Basis einzelner Gene bestimmt. Dabei zeigte sich, dass die Onkogene ipt, iaaH und iaaM welche mit der T-DNA ins Genom integriert werden und die Proliferation auslösen, im Tumorgewebe unmethyliert vorliegen. Dennoch sind die Onkogene empfänglich gegenüber epigenetischen Modifikationen, da die siRNA-vermittelte Methylierung sowohl ihre Transkription als auch das Tumorwachstum unterbindet. Eine genomweite Studie der DNA-Methylierungsmuster mittels Tiling-Array-Analysen von immunopräzipitierter methylierter DNA zeigte ein global hypermethyliertes Tumor-Genom im Vergleich zum tumorfreien Sprossgewebe. Diese Beobachtungen stehen im Gegensatz zu den Methylierungsmustern der meisten Säuger-Tumore, welche typischerweise mit globaler Hypomethylierung und lokaler Hypermethylierung von Promotor-Sequenzen assoziiert sind. Im Unterschied dazu waren die Promoter-Sequenzen im Pflanzentumor eher hypomethyliert. Die Methylierungsunterschiede zwischen Wurzelhalsgallen und Sprossgewebe korrelierten mit transkriptionellen Veränderungen. Speziell Gene, welche in Entwicklungsprozessen und Zellteilung involviert sind, waren von Methylierungsänderungen betroffen. Dies impliziert, dass insbesondere diese Prozesse epigenetisch kontrolliert werden. Die Methylierung von Genen, welche einer transkriptionellen Kontrolle durch ABA unterliegen, war durch eine ABA-Behandlung induzierbar. DNA-Methylierungen kontrollieren somit wahrscheinlich essenzielle physiologische Prozesse während der Tumorentwicklung wie beispielsweise die ABA-vermittelte Trockenstressanpassung. Arabidopsis-Mutanten, welche in Nicht-CG-Methylierungsprozessen beeinträchtigt sind, entwickelten größere Tumore als die Kontrollpflanzen der entsprechenden Wildtypen. Dies weist auf eine Inhibierung des Tumor-Wachstums durch ein hypermethyliertes Genom, insbesondere der Nicht-CG-Motive hin. Insgesamt zeigen die Ergebnisse, dass Genexpression, physiologische Prozesse und die Entwicklung pflanzlicher Tumore einer Regulation durch DNA-Methylierung unterliegen. / Agrobacterium tumefaciens is a plant pathogen which causes formation of crown gall tumors on a wide range of host species as a result of integration of its T-DNA into the plant genome. Expression of the T-DNA encoded oncogenes triggers proliferation and differentiation of crown galls, a process which is associated with severe global gene expression and physiological changes. DNA methylation changes are known to contribute to transcriptional changes which facilitate neoplastic growth in mammals. However, the role of epigenetic processes in physiology and development of plant tumors is not yet understood. Therefore, in this study the methylation pattern of Arabidopsis crown galls was analyzed on a genome-wide and single gene level. The proliferation-provoking oncogenes ipt, iaaH and iaaM, which are integrated into the plant genome along with the T-DNA, were shown to be unmethylated in the tumor genome. Nevertheless, they are susceptible to epigenetic modifications as siRNA-mediated methylation prevented both oncogene transcription and subsequent tumor development. The genome-wide analysis of DNA methylation by methylcytosine immunoprecipitation and tiling arrays revealed a globally hypermethylated tumor genome compaired to that of the tumor-free stems. This contrasts the methylation patterns in most mammalian cancers, which are typically associated with global hypomethylation and local hypermethylation of gene promoters. In crown gall tumors, promoters where rather hypomethylated. Methylation differences of crown galls and stem tissue correlated well with transcriptional changes. Especially genes involved in development and cell division were differentially methylated, implying that these processes are epigenetically controlled in the tumor. Methylation of genes which are known to be transcriptionally inhibited in an ABA-dependent manner was inducible upon ABA treatment. This suggests that DNA methylation controls essential physiological processes during crown gall development, such as ABA-mediated drought stress adaption. Arabidopsis mutants impaired in non-CG methylation developed larger tumors than wild-type controls, which indicates that hypermethylation of non-CG motifs inhibits plant tumor growth. In summary, the results of this study provide evidence that gene expression, physiological processes and the development of plant tumors are regulated by DNA methylation.

Hyperinsulinemia, a condition with excessively high insulin blood levels, is related to an increased cancer incidence. Diabetes mellitus, metabolic syndrome, obesity and polycystic ovarian syndrome are the most common of several diseases accompanied by hyperinsulinemia. Since an elevated cancer risk especially for colon and kidney cancers, was reported for those patients, we investigated for the first time the induction of genomic damage by insulin mainly in HT29 (human colon cells), LLC-PK1 (pig kidney cells), HK2 (human kidney cells) and peripheral lymphocytes, and to confirm the genotoxicity of insulin in other cells from different tissues. To ascertain that the insulin effects were not only limited to permanent cell lines, rat primary colon, kidney, liver and fatty tissue cells were also studied. To connect the study and the findings to in vivo conditions, two in vivo models for hyperinsulinemia were used; Zucker diabetic fatty rats in a lean and diabetic state infused with different insulin concentrations and peripheral lymphocytes from type 2 diabetes mellitus patients. First, the human colon adenocarcinoma cells (HT29) showed significant elevation of DNA damage using comet assay and micronucleus frequency analysis upon treatment with 5 nM insulin in standard protocols. Extension of the treatment to 6 days lowered the concentration needed to reach significance to 0.5-1 nM. Insulin enhanced the cellular ROS production as examined by the oxidation of the dyes 2´,7´-dichlorodihydrofluorescein diacetate (H2DCF-DA) and dihydroethidium (DHE). The FPG modified comet assay and the reduction of damage by the radical scavenger tempol connected the insulin-mediatedDNA damage to ROS production. To investigate the sources of ROS upon insulin stimulation, apocynin and VAS2870 as NADPH oxidase inhibitors and rotenone as mitochondrial inhibitor were applied in combination with insulin and all of them led to a reduction of the genomic damage. Investigation of the signaling pathway started by evaluation of the binding of insulin to its receptor and to the IGF-1 receptor. The results showed the involvement of both receptors in the signaling mechanism. Following the activation of both receptors, PI3K activation occurs leading to phosphorylation of AKT which in turn activates two pathways for ROS production, the first related to mitochondria and the second through activation of Rac1 , resulting in the activation of Nox1. Both pathways could be activated through AKT or through the mitochondrial ROS which in turn could activates Nox1. Studying another human colon cancer cell line, Caco-2 and rat primary colon cells in vitro confirmed the effect of insulin on cellular chromatin. We conclude that pathophysiological levels of insulin can cause DNA damage in colon cells, which may contribute to the induction or progression of colon cancer. Second, in kidney cells, insulin at a concentration of 5 nM caused a significant increase in DNA damage in vitro. This was associated with the formation of reactive oxygen species (ROS). In the presence of antioxidants, blockers of the insulin and IGF-1 receptors, and a phosphatidylinositol 3-kinases (PI3K) inhibitor, the insulin mediated DNA damage was reduced. Phosphorylation of AKT was increased and p53 accumulated. Inhibition of the mitochondrial and NADPH oxidase related ROS production reduced the insulin mediated damage. In primary rat cells insulin also induced genomic damage. HK2 cells were used to investigate the mechanistic pathway in the kidney The signaling is identical to the one in the colon cells untill the activation of the mitochondrial ROS production, because after the activation of PI3K activation of Nox4 occurs at the same time across talk between mitochondria and Nox4 activation has been suggested and might play a role in the observed effects. In the in vivo model, kidneys from healthy, lean ZDF rats, which were infused with insulin to yield normal or high blood insulin levels, while keeping blood glucose levels constant, the amounts of ROS and p53 were elevated in the high insulin group compared to the control level group. ROS and p53 were also elevated in diabetic obese ZDF rats. The treatment of the diabetic rats with metformin reduced the DNA oxidation measured as 8-oxodG as well as the ROS production in that group. HL60 the human premyelocytic cells and cultured lymphocytes as models for the hemopoietic system cells showed a significant induction for DNA damage upon treatment with insulin. The diabetic patients also exhibited an increase in the micronucleus formation over the healthy individuals. In the present study, we showed for the first time that insulin induced oxidative stress resulting in genomic damage in different tissues, and that the source of the produced ROS differs between the tissues. If the same mechanisms are active in patients, hyperinsulinemia might cause genomic damage through the induction of ROS contributing to the increased cancer risk, against which the use of antioxidants as well as mitochondrial and NADPH oxidase inhibitors might exert protective effects with cancer preventive potential under certain conditions. Normal healthy human plasma insulin concentrations are in the order of 0.04 nM after overnight fasting and increase to less than about 0.2 nM after a meal. Pathophysiological levels can reach 1 nM and can stay above 0.2 nM for the majority of the daytime yielding condictions close to the insulin concentrations determined in the present study. Whether the observed effects also occur in vivo and whether they actually initiate or promote tumor formation remains to be determined. However, if proof of that can be obtained, our experiments with inhibitors indicate chances for pharmacological intervention applying antioxidants or enzyme inhibitors. It will not be the aim to reduce ROS in any case or as much as possible because ROS have now been recognized as important signaling molecules and participatants in immune defense, but a reduction to physiological levels instead of pathophysiological levels in the context of a disease associated with ROS overproduction might be beneficial. / Hyperinsulinämie, ein Zustand mit sehr hohen Blutspiegeln an Insulin, ist mit einer erhöhten Krebsinzidenz verbunden. Diabetes mellitus, das metabolische Syndrom, Adipositas und das polyzystische Ovarialsyndrom sind die häufigsten Krankheiten, die mit Hyperinsulinämie einhergehen. Da ein erhöhtes Krebsrisiko insbesondere für Krebserkrankungen des Dickdarms und der Niere beobachtet wurde, untersuchten wir erstmals die Induktion von Genomschäden durch Insulin in HT29-Zellen (humane Dickdarmzellen), LLC-PK1-Zellen (Nierenzellen vom Schwein), HK2-Zellen (humane Nierenzellen) und peripheren humanen Lymphozyten. Um die Gentoxizität von Insulin zu bestätigen, wurden auch andere Zellen aus unterschiedlichen Geweben untersucht. Um sicherzustellen, dass die Effekte durch Insulin nicht auf permanente Zelllinien beschränkt sind, wurden außerdem primäre Rattenzellen aus Dickdarm, Niere, Leber und Fettgewebe untersucht. Um die Befunde auf die in-vivo-Situation übertragen zu können, kamen zwei Hyperinsulinämie-Modelle zum Einsatz: mit Insulin infundierte ZDF-Ratten (Zucker Diabetic Fatty Rats) und periphere Lymphozyten von Patienten mit Diabetes Typ 2. Zuerst konnte in humanen Adenokarzinomzellen des Dickdarms (HT29) eine signifikante Erhöhung des DNA-Schadens in Standard-Protokollen des Comet Assays und des Mikrokerntests nach Behandlung mit 5 nM Insulin gezeigt werden. Bei Verlängerung der Behandlungszeit auf 6 Tage wurden signifikante Effekte bereits ab 0,5 nM beobachtet. Insulin erhöhte die zelluläre ROS-Produktion, die als Oxidation der Farbstoffe 2‘,7‘-Dichlorodihydrofluoresceindiacetat (H2DCF-DA) und Dihydroethidium (DHE) nachgewiesen wurde. Befunde aus dem FPG-modifizierten Comet Assay und das Ergebnis, dass der Radikalfänger Tempol die Zellen schützte stellen die Verbindung zwischen Insulin-verursachtem DNA-Schaden und ROS produktion her. Um die ROS-Quelle nach Stimulation mit Insulin zu untersuchen, wurden Apocynin und VAS2870 als NADPH-Oxidase-Inhibitoren und Rotenon als Inhibitor der Mitochondrien mit Insulin kombiniert. Alle diese Stoffe reduzierten den Genomschaden. Zur Charakterisierung der Signalwege wurde zunächst die Bindung von Insulin an seinen Rezeptor und an den IGF1-Rezeptor untersucht. Beide Rezeptoren sind an der Signaltransduktion beteiligt. Nach Aktivierung der Rezeptoren wird die PI3K aktiviert, dies führt zur Phosphorylierung von AKT. Dadurch werden zwei Wege zur ROS-Produktion aktiviert, der erste involviert die mitochondriale Atmungskette , der zweite agiert durch Rac1-Aktivierung. Letzteres resultiert in der Aktivierung der NADPH-Oxidase Isoform Nox1. Der Effekt von Insulin auf zelluläres Chromatin konnte in einer weiteren humanen Dickdarmkrebs-Zelllinie und in primären Dickdarmzellen der Ratte in vitro bestätigt werden. Wir schlussfolgern aus diesen Ergebnissen, dass pathophysiologische Insulin-Blutspiegel DNA-Schäden im Dickdarm verursachen können. Dies könnte zur Induktion oder Progression von Dickdarmkrebs beitragen. Weiterhin verursachte Insulin bei einer Konzentration von 5 nM einen signifikanten Anstieg von DNA-Schäden in vitro. Dies war verbunden mit der Bildung von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS). Bei Anwesenheit von Antioxidantien, von Inhibitoren des Insulin-Rezeptors bzw. des IGF-1-Rezeptors und eines Phosphatidylinositol-3-Kinase(PI3K)-Inhibitors war der Insulin-vermittelte DNA-Schaden reduziert. Phosphorylierung von AKT war erhöht und das Protein P53 akkumulierte. Inhibierung der ROS-Produktion der Mitochondrien bzw. der NADPH-Oxidase reduzierte den Insulin-vermittelten Schaden. In primären Rattenzellen induzierte Insulin ebenfalls Genomschaden. HK2-Zellen wurden zur Untersuchung der mechanistischen Signalwege in der Niere eingesetzt. Die Signalwege entsprechen denen der Dickdarmzellen bis zur Aktivierung der ROS-Produktion in den Mitochondrien. Als Folge der Aktivierung von PI3K wird Nox4 aktiviert. Eine Verbindung zwischen Mitochondrien und Nox4-Aktivierung wird vorgeschlagen. Als in-vivo-Modell wurden gesunde ZDF-Ratten mit Insulin infundiert, um normale bzw. erhöhte Insulin-Blutspiegel bei konstanten Glukose-Blutspiegeln zu erreichen. In den Nieren war der Gehalt an ROS und an P53 in der Gruppe mit erhöhten Insulin-Blutspiegeln im Vergleich zur Kontrolle erhöht. ROS und P53 waren ebenfalls in den diabetischen und adipösen ZDF-Ratten erhöht. Die Behandlung der diabetischen Ratten mit Metformin reduzierte die DNA-Oxidation, die in Form von 8-oxodG bestimmt wurde, und die ROS-Produktion in dieser Gruppe. HL60-Zellen und kultivierte Lymphozyten als Modelle für das hämatopoetische System zeigten eine signifikante Induktion von DNA-Schäden nach Behandlung mit Insulin. Diabetes-Patienten zeigten eine erhöhte Mikrokern-Bildung im Vergleich zu gesunden Probanden. In der vorliegenden Studie konnten wir erstmals zeigen, dass Insulin-induzierter oxidativer Stress zu Genomschaden führt, und dass in unterschiedlichen Geweben ROS aus verschiedenen Quellen stammten. Falls diese Mechanismen auch in Patienten auftreten, könnte Hyperinsulinämie durch ROS-Induktion zu Genomschaden führen und damit zu einem erhöhten Krebsrisiko beitragen. Unter bestimmten Bedingungen könnten Antioxidantien bzw. Inhibitoren der Mitochondrien oder der NADPH-Oxidase protektive Effekte ausüben.

The Fanconi anemia (FA) pathway is a replication-dependent DNA repair mechanism which is essential for the removal of interstrand crosslink (ICL) DNA damages in higher eukaryotes (Moldovan and D’Andrea, 2009). Malfunctions in this highly regulated repair network lead to genome instability (Deans and West, 2011). Pathological phenotypes of the disease FA which is caused by mutations in the eponymous pathway are very heterogeneous, involving congenital abnormalities, bone-marrow failure, cancer predisposition and infertility (Auerbach, 2009). The FA pathway comprises a complex interaction network and to date 16 FA complementation groups and associated factors have been identified (Kottemann and Smogorzewska, 2013). Additionally, components of nucleotide excision repair (NER), homologous recombination repair (HRR), and translesion synthesis (TLS) are involved and coordinated by the FA proteins (Niedzwiedz et al., 2004; Knipscheer et al., 2009). One of the FA proteins is the DEAH helicase FANCM. In complex with its binding partners FAAP24 and MHF1/2 it binds the stalled replication fork and activates the FA damage response (Wang et al., 2013). However, the exact steps towards removal of the ICL damage still remain elusive. To decipher the underlying process of FA initiation by FANCM, this thesis mainly focuses on the archaeal FANCM homolog helicase-associated endonuclease for fork-structured DNA (Hef). Hef from the archaeal organism Thermoplasma acidophilum (taHef) differs from other archaeal Hef proteins and exclusively comprises an N-terminal helicase entity with two RecA and a thumb-like domain while others additionally contain a nuclease portion at the C-terminus. I solved the crystal structure of full-length taHef at a resolution of 2.43 Å. In contrast to the crystal structure of the helicase domain of Hef from Pyrococcus furiosus (pfHef), taHef exhibits an extremely open conformation (Nishino et al., 2005b) which implies that a domain movement of the RecA-like helicase motor domains of 61° is possible thus highlighting the flexibility of helicases which is required to translocate along the DNA. However, small-angle x-ray scattering (SAXS) measurements confirm an intermediate conformation of taHef in solution indicating that both crystal structures represent rather edge states. Most importantly, proliferating cell nuclear antigen (PCNA) was identified as an interaction partner of Hef. This interaction is mediated by a highly conserved canonical PCNA interacting peptide (PIP) motif. Intriguingly, the presence of PCNA does not alter the ATPase nor the helicase activity of taHef, thus suggesting that the interaction is entirely dedicated to recruit taHef to the replication fork to fulfill its function. Due to a high level of flexibility the taHef-taPCNA complex could not be crystallized and therefore SAXS was utilized to determine a low-resolution model of this quaternary structure. This newly discovered PCNA interaction could also be validated for the eukaryotic FANCM homolog Mph1 from the thermophilic fungus Chaetomium thermophilum (ctMph1). As the first step towards the characterization of this interaction I solved the crystal structure of PCNA from Chaetomium thermophilum (ctPCNA). Furthermore, it was possible to achieve preliminary results on the putative interaction between the human proteins FANCM and PCNA (hsFANCM, hsPCNA). In collaboration with Detlev Schindler (Human Genetics, Würzburg) and Weidong Wang (National Institute on Aging, Baltimore, USA) co-immunoprecipitation (CoIP) experiments were performed using hsFANCM and hsPCNA expressed in HEK293 cells. Although an interaction was reproducibly observed in hydroxyurea stimulated cells further experiments and optimization procedures are required and ongoing. / Der Fanconi Anämie (FA) Signalweg ist ein replikationsabhängiger DNA-Reparaturmechanismus, der grundlegend zur Beseitigung von DNA-Schäden in Form von intermolekularen Quervernetzungen (ICL) beiträgt (Moldovan and D’Andrea, 2009). Fehlfunktionen in diesem stringent regulierten Reparaturnetzwerk führen somit zu Genominstabilität (Deans and West, 2011). Der pathologische Phänotyp der Krankheit FA, die durch Mutationen in dem gleichnamigen DNA-Reparatur Signalweg verursacht wird, ist sehr heterogen und umfasst angeborene Deformationen, Knochenmarksversagen, eine erhöhte Tumor Disposition sowie Infertilität (Auerbach, 2009). Der FA Mechanismus ist ein komplexes Netzwerk und bisher wurden 16 FA Komplementationsgruppen sowie weitere beteiligte Faktoren identifiziert (Kottemann and Smogorzewska, 2013). Zusätzlich sind Komponenten der Nukleotid-Exzisionsreparatur (NER), der homologen Rekombinationsreparatur (HRR) und Transläsionssynthese (TLS) involviert, die durch FA Proteine koordiniert werden (Niedzwiedz et al., 2004; Knipscheer et al., 2009). Eines der FA Proteine ist die DEAH Helikase FANCM. Im Komplex mit seinen Interaktionspartnern FAAP24 und MHF1/2 bindet FANCM an die durch den ICL Schaden zum Stillstand gekommene Replikationsgabel und aktiviert die FA Schadensantwort (Wang et al., 2013). Die weiteren Schritte, die zur Entfernung des ICL Schadens führen, sind jedoch weitestgehend ungeklärt. Zur Aufklärung der Initiation des FA Mechanismus und der Rolle, die das FANCM dabei spielt, wurde in dieser Arbeit hauptsächlich das archaische FANCM Homolog Helicase-associated Endonuclease for Fork-structured DNA (Hef) analysiert. Hef aus dem archaischen Organismus Thermoplasma acidophilum (taHef) unterscheidet sich von anderen archaischen Hef Proteinen und besteht ausschließlich aus einem N-terminalen Helikase-Abschnitt mit zwei RecA und einer thumb-like Domäne, während andere Hef Proteine am C-Terminus zusätzlich eine Nuklease-Domäne besitzen. Ich habe die Kristallstruktur des taHef Proteins bei einer Auflösung von 2,43 Å gelöst. Im Gegensatz zur Kristallstruktur eines vergleichbaren Hef-Konstruktes aus Pyrococcus furiosus (pfHef) (Nishino et al., 2005b) liegt in taHef eine extrem offene Konformation der beiden RecA-Domänen vor, was impliziert, dass eine Bewegung der RecA-ähnlichen Helikase Motordomänen um 61° möglich ist und zudem die zur Translokation entlang der DNA notwendige Flexibilität von Helikasen verdeutlicht. Messungen mittels Kleinwinkelröntgenstreuung (SAXS) deuten hingegen auf eine intermediäre Konformation des taHef Proteins in Lösung hin, wodurch beide Kristallstrukturen als eher Randzustände angesehen werden können. Besonders hervorzuheben ist, dass das Protein Proliferating Cell Nuclear Antigen (PCNA) als Hef Interaktionspartner identifiziert wurde. Diese Interaktion wird durch ein hoch-konserviertes kanonisches PCNA Interaktionspeptid-Motiv vermittelt. Interessanterweise beeinflusst PCNA aber weder die ATPase noch die Helikase Aktivität von taHef, was darauf hindeutet, dass diese Interaktion nur zur Rekrutierung des Hef Proteins zur Replikationsgabel dient. Wegen des hohen Maßes an Flexibilität konnte der taHef-taPCNA Komplex nicht kristallisiert werden, wohingegen SAXS Messungen erfolgreich waren und ein Model bei niedriger Auflösung konnte erhalten werden. Diese nachgewiesene Interaktion zwischen Hef und PCNA konnte auch für das eukaryotische FANCM Homolog Mph1 aus dem thermophilen Pilz Chaetomium thermophilum (ctMph1) bestätigt werden. Als ersten Schritt zur Charakterisierung dieser Interaktion habe ich die Kristallstruktur von PCNA aus Chaetomium thermophilum (ctPCNA) gelöst. Weiterhin war es möglich, vorläufige Resultate bezüglich der mutmaßlichen Interaktion zwischen den humanen Proteinen FANCM und PCNA (hsFANCM, hsPCNA) zu erhalten. In Kooperation mit Detlev Schindler (Humangenetik, Würzburg) und Weidong Wang (National Institute on Aging, Baltimore, USA) wurden Co-Immunopräzipitations-Experimente (CoIP) mit humanem FANCM und humanem PCNA aus HEK293-Zellen durchgeführt. Obwohl eine Interaktion in Hydroxyurea-stimulierten Zellen reproduzierbar nachgewiesen werden konnte, sind weitere Experimente notwendig, um diese Interaktion zu charakterisieren.

Spontanmutationen spielen eine wichtige Rolle bei der Entstehung von Brustkrebs. Daher war das Ziel dieser Arbeit, Einflussfaktoren auf Mutationen in weiblichem Brustgewebe zu identifizieren. Dafür wurden zunächst von 50 gesunden Frauen, die sich aus kosmetischen Gründen einer Mammareduktion unterzogen hatten, Brustgewebsproben akquiriert. Ein Teil der Spenderinnen nahm im Vorfeld der Operation an einer Isoflavon-Intervention teil. Das Gewebe wurde optisch in Fett- und Drüsengewebe separiert. Als potentielle Variablen, die die Mutationsfrequenz beeinflussen könnten, wurden am Lehrstuhl der lobule type, Estrogen- und Estrogenmetabolitspiegel und Tran-skriptspiegel von Genen, die für am Estrogen-Metabolismus beteiligte Enzyme, Transkriptonsfaktoren und Rezeptoren kodieren, im Gewebe der Probandinnen be-stimmt. Des Weiteren wurden am Lehrstuhl Oxycholesterolspiegel im Fettgewebe und am Max-Rubner-Institut in Karlsruhe Isoflavonspiegel im Drüsengewebe der Probandinnen bestimmt. Zunächst wurde der Umfang an genotoxischem Stress auf mitochondrialer Ebene ermittelt. Dafür wurde der Random Mutation Capture Assay als genotypselektive Me-thode, die sensitiv genug zur Bestimmung der mitochondrialen Spontanmutations-frequenz ist, ausgewählt. Die erforderlichen Primer wurden für das Cytochrom-B-Gen designt. Nach Optimierung der Reaktion zur Kopienzahlbestimmung wurde ein linearer und varianzenhomogener Kalibrierbereich festgelegt. Die Standard-Wiederfindungsrate lag, je nach Bereich der Kalibrierung, bei 99 bis 102% mit einer Schwankung von 2 bis 10%. Bei Realproben lag das 10.-90. Perzentil der Stan-dardaddition-Wiederfindungsrate zwischen 62 und 117%. Das 90. Perzentil der Standardabweichung der Wiederfindungsrate lag bei 33% und das der Stan-dardabweichung der Kopienzahl der Proben bei 12%. Um eine möglichst hohe Sensitivität der Mutantenzahlbestimmungs-PCR zu erreichen, wurde die Reaktion ebenfalls optimiert. Bei Mutationsstandard-Wiederfindungsexperimenten wurden in 91 bis 95 Reaktionen im Mittel 11,0±1,7 PCR-Produkte detektiert, wobei kein statis-tisch signifikanter Unterschied zu den 13,6 erwarteten PCR-Produkten bestand. Die Spontanmutationsfrequenz in mitochondrialer DNA eines vor der DNA-Isolation aufgeteilten Brustdrüsengewebsaliqouts lag bei 1, 2 und 6*10-5 bp 1. Zwischen den Spontanmutationsfrequenzen im Fett- und im Drüsengewebe bestand sowohl indi-viduell bei allen getesten Proben, als auch interindividuell, statistisch kein signifi-kanter Unterschied. Ebenso unterschieden sich die mittels Sanger-Sequenzierung der Amplifikationsprodukte der Mutantenzahlbestimmungs-PCR ermittelten Mutati-onsspektren im Fett- und Drüsengewebe statistisch nicht signifikant. Da mehr Fett-gewebsproben als Drüsengewebsproben zur Verfügung standen, wurde die Spont-anmutationsfrequenz anschließend in allen geeigneten Fettgewebsproben be-stimmt. Aufgrund der großen Anzahl an potentiellen Einflussfaktoren auf die mitochondria-le Spontanmutationsfrequenz, wurden diese im Brustfettgewebe mittels multipler linearer Regressionsanalyse ermittelt. Die mitochondriale Spontanmutationsfre-quenz in humanem Brustfettgewebe wurde dabei signifikant positiv durch das Alter beeinflusst. Dies wurde in der Literatur bereits für humane Gehirne und Gehirne von Ratten beschrieben, jedoch nicht für Brustgewebe. Variablen, die in Zusam-menhang mit der mitochondrialen Proliferation stehen, beeinflussten die mito-chondriale Spontanmutationsfrequenz dagegen nicht. Zudem wurde die mito-chondriale Spontanmutationsfrequenz von Oxycholesterolspiegeln, als Marker für durch reaktive Sauerstoff-Spezies induziertem oxidativen Stress, und Transkript-spiegeln und Genotypen von Genen, die für Enzyme, die im Zusammenhang mit oxidativem Stress stehen, kodieren, beeinflusst. Ein Einfluss von oxidativem Stress auf die Spontanmutationsfrequenz in humanem Brustgewebe wurde in der Literatur noch nicht beschrieben. Im Gegensatz dazu beeinflussten Variablen, die mit der Bildung von reaktiven Estrogenchinonen in Verbindung stehen, die mitochondriale Spontanmutationsfrequenz nicht signifikant. Auch Rauchen beeinflusste die mito-chondriale Spontanmutationsfrequenz nicht. In der Literatur wurde beschrieben, dass sich auch das mitochondriale Mutationsspektrum in Lungen von Raucher- und Nichtraucherzwillingen nicht unterschied. Ebenso beeinflussten der Fettgehalt des Gewebes und der BMI, welche in Verbindung mit proinflammatorischen Media-tioren gebracht werden, die Spontanmutationsfrequenz nicht signifikant. Berück-sichtigt werden muss allerdings, dass mit einem Variationskoeffizienten von 0,60 nur 60% der Varianz der Spontanmutationsfrequenz erklärten werden konnte und somit weitere Einflussfaktoren eine Rolle spielen könnten. In Bezug auf nukleäre DNA erwies sich der Random Mutation Capture Assay in ei-ner vorangegangenen Arbeit als zu zeitaufwendig und unwirtschaftlich. Mutationen können aufgrund von DNA-Adduktbildung entstehen. Bei der Entstehung von reak-tiven Verbindungen, die in der weiblichen Brustdrüse in der Lage sind, DNA-Addukte zu bilden, wird derzeit von einer Rolle des Estrogenmetabolismus ausge-gangen. Am Lehrstuhl wurden bereits DNA-Adduktflüsse in weiblichem Brustdrü-sengewebe mittels bioinformatischer constraint-based Netzwerkmodellierung er-rechnet. Da die für das Netzwerk-Modell als Surrogat für die Enzymaktivität verwen-deten Transkriptspiegel eine Vereinfachung der Enzymaktivität darstellen, wurden zunächst Polymorphismen, die Einfluss auf die Bildung und Entgiftung reaktiver Estrogen-Metabolite nehmen können, identifiziert. Mittels allelischer Diskriminie-rung wurden für die Genotypisierung der Proben geeignete Positivkontrollen aus-gewählt und mittels Restriktionsfragmentlängen-Polymorphismus-PCR verifiziert. Die Allelfrequenzen der genotypisierten Brustgewebsproben lagen innerhalb des Hardy-Weinberg-Gleichgewichts und auch innerhalb bereits publizierter Frequen-zen gesunder deutscher bzw. hellhäutiger Frauen. Ebenso entsprach der Einfluss der Polymorphismen auf den jeweils assoziierten mRNA-Spiegel den Ergebnissen anderer Studien. Für den Polymorphismus innerhalb des Gens der Hydroxysteroid-Dehydrogenase 17β2 waren bisher keine Ergebnisse publiziert. In Brustgewebe nahm dieser Polymorphismus keinen signifikanten Einfluss auf den assoziierten mRNA-Spiegel. Zur Identifizierung von Einflussfaktoren auf Estrogen-Gewebespiegel im Brustdrü-sen- und im Brustfettgewebe wurden am Lehrstuhl bereits multiple lineare Regres-sionsmodelle mit Estrogen-Gewebespiegeln und daraus errechneten Verhältnissen als abhängige Variablen gerechnet. Bei erneut gerechneten Modellen unter zusätz-licher Berücksichtung von Polymorphismen, in Genen, die für am Estrogenmetabo-lismus beteiligte Enzyme kodieren, wurden bei vier von neun Modellen Genotypen in die Modelle selektiert. Anschließend wurde in Kooperation mit dem Lehrstuhl für Bioinformatik der Universität Würzburg ein zusätzliches Netzwerkmodell erstellt, das die Transkriptspiegel um die relative Aktivität des entsprechenden Genotyps korri-gierte. Die Validierungsergebnisse deuteten darauf hin, dass beide Addukt-Modelle (mit und ohne Polymorphismus-Berücksichtigung) äquivalent die reale Situation der jeweils evaluierten Estrogenmetabolitspiegel im Gewebe widerspiegelten. Daraufhin wurden mittels multipler linearer Regression Einflussfaktoren auf die mit und ohne Genotypen errechneten DNA-Adduktflüsse ermittelt. Die Adduktflüsse wurden dabei vom BMI signifikant positiv beeinflusst. In der Literatur wurde be-schrieben, dass Übergewicht, wahrscheinlich aufgrund erhöhter Plasma-Estrogenspiegel, mit dem Brustkrebsrisiko assoziiert ist. Dies könnte sich ebenso auf die DNA-Adduktbildung im Brustgewebe auswirken. Des Weiteren wurden die Adduktflüsse, welche unter Berücksichtigung von polymorphismusabhängiger en-zymatischer Umsetzung errechnet worden waren, positiv von einer Isoflavon-Intervention und Isoflavon-Gewebespiegeln beeinflusst. Ein Einfluss von Isoflavo-nen auf estrogenassoziierte DNA-Adduktbildung wurde in der Literatur bisher noch nicht beschrieben. Des Weiteren beeinflusste lobule type 1 nach altersbedingter Regression im Vergleich zu lobule type 2/3 die DNA-Adduktflüsse signifikant nega-tiv. Der postmenopausale Status beeinflusste im Vergleich zum prämenopausalen Status nur die Estron-DNA-Adduktflüsse ohne Berücksichtigung der polymorphis-musabhängigen enzymatischen Umsetzung signifikant negativ. Lobule type 1 nach altersbedingter Regression ist meist bei postmenopausalen Frauen vorzufinden. Daher sind lobule type 1 nach altersbedingter Regression und der postmenopausa-le Status zumindest annähernd vergleichbar. Das Ende der Estrogen-Produktion in den Ovarien in der Menopause verringert Estrogen-Plasmaspiegel, was sich ebenso auf das Brustgewebe auswirken und zu einer verringerten Estrogen-DNA-Adduktbildung im Brustgewebe führen könnte. Das Alter dagegen beeinflusste kei-ne der abhängigen Variablen signifikant. Obwohl bei Rauchern in vielen humanen Geweben bereits eine erhöhte Cytochrom P450-abhängige Monoxygenase 1A1- und 1B1-Expression nachgewiesen wurde, die potentiell zu mehr reaktiven Estro-genchinonen und damit auch DNA-Adduktbildung führen könnte, beeinflusste Rauchen bei keiner der Modellvarianten die jeweils abhängige Variable signifikant. Des Weiteren beeinflussten weder Ethinylestradiol, noch 17β-estradiol-freisetzende Medikamente bei einer der Modellvarianten die jeweils abhängige Variable signifi-kant. Die Ergebnisse der multiplen linearen Regressionsanalyse der beiden Adduktfluss-Varianten (mit und ohne Berücksichtigung von polymorphismusabhängiger en-zymatischer Umsetzung) waren nicht identisch, widersprachen sich allerdings auch nicht. Berücksichtigt werden muss dabei, dass die Modelle mit einem Variationsko-effizienten zwischen 0,09 und 0,33 nur 9-33% der Varianz der jeweiligen abhängi-gen Variable erklärten und vermutlich weitere Parameter zur vollständigen Erklä-rung benötigt werden. Oxidativer Stress kann ebenfalls zu DNA-Addukten führen, wird allerdings nicht durch das verwendete metabolische Netzwerk abgebildet. Daher wurden mittels multipler linearer Regression Einflussfaktoren auf Brustgewebs-Transkriptspiegel von der NADPH-Chinon Oxidoreduktase 1, der γ-Glutamyl-Cystein Ligase und des Transkriptionsfaktors nuclear factor (erythroid-derived 2)-like 2, Transkripten, deren Expression bei oxidativem Stress induziert wird, ermittelt. Die jeweils signifikant mit den abhängigen Variablen assoziierten erklärenden Variablen unterschieden sich dabei zum einen bezogen auf jeweils abhängigen Variable, zum anderen bezogen auf das Gewebe. Die Marker-Transkriptspiegel wurden vom BMI, Alkoholkonsum, Rauchen und vom menopausalen Status signifikant beeinflusst. Für diese Variab-len wurde in der Literatur bereits ein Einfluss auf Marker für oxidativen Stress in humanem Blut oder Plasma und anderen Geweben, jedoch nicht in Brustgewebe beschrieben. Zellzyklus-Marker und Marker der Gewebedifferenzierung beeinfluss-ten die abhängigen Variablen ebenso signifikant. Des Weiteren beeinflussten Transkriptspiegel und Genotypen von Genen, die für Enzyme kodieren, die zur Ka-techolbildung und -entgiftung führen konnen, die abhängigen Variablen signifi-kant. Estrogenspiegel selbst beeinflussten dagegen keine der abhängigen Variab-len signifikant. Des Weiteren beeinflussten Oxycholesterolspiegel, als Marker für durch reaktive Sauerstoffspezies induzierten, oxidativen Stress, entgegen der Er-wartung keine der abhängigen Variablen signifikant. Obwohl in der Literatur bereits ein Einfluss des Alters auf Marker für oxidativen Stress im humanen Frontal-Cortex, Endothelzellen der Oberarmarterie und in der humanen Leber beschrieben wurde, beeinflusste es keinen der Transkriptspiegel im Brustgewebe signifikant. Zusammengefasst wurde zum ersten Mal die mitochondriale Spontanmutationsfre-quenz in gesundem humanem Brustgewebe bestimmt und in Kombination mit bio-informatischer Netzwerkmodellierung und multipler linearer Regressionsanalyse ein umfassendes Bild der verschiedenen Einflussfaktoren auf mitochondrialen und estrogeninduzierten genotoxischen Stress in der gesunden weiblichen Brust dar-gestellt. / Spontaneous mutations play a major role in the development of breast cancer. Therefore, aim of the present work was to determine factors influencing mutations in female breast tissue. For this purpose, breast tissue specimen of 50 healthy women who underwent mammary reduction surgery for cosmetical reasons were initially collected. A share of the women underwent isoflavone-intervention seven days prior to surgery. The tissue was separated optically into adipose and glandular tissue. As potential varia-bles possibly affecting the mutation frequency, lobule type and estrogen- and estro-gen-metabolite tissue levels were determined in mammary and adipose tissue at the chair. Also, transcript tissue levels of genes coding for enzymes involved in estrogen metabolism, transcript levels of transcription factors and of receptors were deter-mined in mammary and adipose tissue at the chair. Furthermore, oxycholesterole levels were determined in adipose tissue and isovlavone levels were determined in glandular tissue at Max Rubner Institute in Karlsruhe. At first, the extent of mitochondrial genotoxic stress was assessed via Random Muta-tion Capture Assay, a genotype selective method suitable to determine rare muta-tions. After DNA isolation, the Random Mutation Capture Assay mainly consists of two PCR-steps: copy number and mutant number determination. Requisite primers were designed for the cytochrome B gene. Following an optimized PCR regarding the maximum efficiency for the copy number determination, a linear calibration range of homogenous variances was established. Standard recovery rate was 99-102% with a variation of 2-10%, depending on the calibration section. The 10th-90th percentile of standard addition recovery in real specimen was between 62% and 117%. The 90th percentile of the recovery rate’s standard deviation was 33% and the 90th percentile of the specimen copy number standard deviation was 12%. The PCR for the mutant number determination was also optimized and in subsequent mutant standard recovery experiments 11,0±1,7 PCR products were detected in 91-95 reactions with no statistical difference to 13,6 expected products. Spontaneous mutation frequencies of a prior to DNA isolation apportioned glandular tissue aliquot were 1, 2 and 6*10-5 bp 1. There was no statistically significant difference between spontaneous mutation frequencies in glandular and adipose tissue; neither individ-ually in every tested specimen, nor interindividually. Moreover, there was no statisti-cally significant difference in mutational spectra in glandular and adipose tissue of mutants obtained by sanger-sequen-cing of mutant number determination PCR products. Since there were more adipose tissue samples than glandular tissue sam-ples available, spontaneous mutation frequencies were determined in all suitable adipose tissue samples. Due to the great number of variables potentially influencing mitochondrial sponta-neous mutation frequency, multiple linear regression analysis was applied. Mito-chondrial spontaneous mutation frequency in human breast adipose tissue was significantly positively influenced by age. Similar oberservations concerning mito-chondrial spontaneous mutations in human and rat brains have been reported in other studies, nonetheless, the present study is the first of its kind conducted in hu-man breast tissue samples. On the other hand, variables associated with mitochon-drial proliferation had no influence on mitochondrial spontaneous mutation fre-quency. Mitochondrial spontaneous mutation frequency was influenced by oxycho-lesterole levels, markers for oxidative stress, and transcript levels and genotypes of genes associated with oxidative stress. Such an influence of oxidative stress on mi-tochondrial spontaneous mutation frequency in human breast tissue has not been described in literature so far. In contrast to that, variables associated with formation of reactive estrogen quinones, for example transcript levels of cytochrome P450-dependenent monooxygenases, did not influence mitochondrial mutation frequency significantly. Also, smoking had no significant influence on mitochondrial mutation frequency. Another study has already reported no difference of mutational spectra in lungs of smoker and non-smoker twins. Furthermore, fat content of the tissue and BMI both associated with proinflammatory mediators did not significantly influence spontaneous mutation frequency. However, it must be considered that a variation coefficient of 0.60 only explained 60% of the variance of the spontaneous mutation frequency; thus suggesting other influencing factors might play a role. Concerning nuclear DNA, in a previous work Random Mutation Capture Assay was found to be time consuming and uneconomic. Mutations can arise from DNA adduct formation. Estrogen metabolism is currently considered to play a role in the for-mation of reactive compounds able to form DNA adducts in the female mammary gland. At the chair, estrogen-related DNA adduct fluxes in female mammary gland had already been determined by computerized bioinformatical contraint-based net-work modeling. Because in the network model transcript levels were used as surro-gates for enzyme activity, representing a simplification, polymorphisms possibly in-fluencing the formation and/or detoxification of reactive estrogen metabolites by al-tering enzymatic conversion rates were identified. By means of allelic discrimination suitable positive controls for the genotyping of the specimen were chosen and veri-fied via restriction fragment length polymorphism PCR. Allel frequencies of geno-typed specimen were within Hardy-Weinberg equilibrium and also in accordance with previously published frequencies of healthy german or caucasian women re-spectively. Moreover, influence of polymorphisms on their associated mRNA levels met the results of relevant studies in the past. No results for the polymorphism within the gene coding for hydroxysteroid dehydrogenase 17β2 have been published up to today. This polymorphism was found to have no significant influence on its associ-ated mRNA levels in breast tissue. To identify factors influencing estrogen tissue levels in breast adipose and glandular tissue, multiple linear regression models had been calculated previously at the chair. In four out of nine re-calculated models in consideration of polymorphisms in genes coding for enzymes involved in estrogen metabolism, specific genotypes were selected into the respective models. An additional network model in consideration of transcript levels adjusted to the rela-tive genotype activity was compiled in cooperation with the chair of bioinformatics of the University of Würzburg. Validation results indicated that both adduct models (with and without consideration for polymorphisms) were reflecting the actual situa-tion of the particular evaluated estrogen metabolite levels equivalently. Thereupon, factors influencing calculated DNA adduct fluxes with and without con-sideration for polymorphisms were identified by means of multiple linear regression model analysis. Adduct fluxes were significantly positively influenced by BMI. In lit-erature it has already been described that obesity is associated with breast cancer risk, possibly due to increased estrogen levels in plasma. Furthermore, adduct fluxes calculated in consideration of polymorphism-dependent enzymatic conversion were significantly influenced positively by isoflavone intervention and isoflavone levels in tissue. An influence of isoflavones on DNA adduct formation associated with estro-gens in this manner has never been described in literature. Lobule type 1 after age-related regression in comparison to lobule type 2/3, influenced DNA adduct fluxes significantly negatively. In contrast, postmenopausal status in comparision to premenopausal status influenced only estrone DNA adduct fluxes, calculated in consideration of polymorphism-dependent enzymatic conversion, significantly negatively. Lobule type 1 after age-related regression is predominantly found in postmenopausal women. Hence, lobule type 1 after age-related regression and postmenopause are roughly comparable. Cessation of ovarial estrogen production decreases estrogen levels in plasma, which might also affect breast tissue, thus leading to decreased estrogen DNA adduct formation in me-nopause. Neither de-pendent adduct flux variables were significantly influenced by age. Though in-creased expression of cytochrome P450-dependent monoxygenases 1A1 and 1B1, was already observed in a variety of human tissues due to smoking, which in turn might lead to an increased estrogen quinone and subsequent estrogen DNA adduct formation, smoking affected neither dependent variable. In addition, neither ethi-nylestradiol, nor 17β-estradiol-releasing drugs significantly influenced the respec-tive dependent variable in any of the models. The results of the multiple linear regression analysis of two adduct flux variants (with and without consideration for polymorphism dependent enzymatic conversion) were not identical, but also not contradictory. However, it must be considered that a variation coefficients of 0.09-0.33 only explained 9-33% of the variances of the DNA adduct fluxes; thus suggesting that other influencing factors might play a role. Oxidative stress is also capable of inducing DNA adduct formation, which is not rep-resented in the metabolic network model. Therefore multiple linear regression mod-els were used to identify factors influencing transcript levels of NADPH quinone oxidoreductase 1, γ-glutamyl cysteine ligase and nuclear factor (erythroid-derived 2)-like 2, the expression of which is induced by oxidative stress. The respective ex-planatory variables significantly associated with the dependent variables (marker transcript le-vels for oxidative stress), differed concerning the respective dependent variable and concerning the tissue type. Marker transcript levels were significantly influenced by BMI, alcohol consumption, smoking and menopausal status. An in-fluence on markers for oxidative stress has already been observed in human blood, plasma and other tissues for these variables, but not in human breast tissue so far. Also cell cycle markers and markers for tissue differentiation influenced the de-pendent variables significantly. Furthermore, transcript levels and genotypes of genes coding for enzymes involved in catechol-formation and -detoxification had a significant influence on the dependent variables. In contrast to that, estrogen levels themselves had no significant influence on the dependent variables. Different than expected, oxycholesterole levels, also had no significant influence on neither de-pendent variable. Although other studies have reported an influence of age on markers for oxidative stress in human frontal cortex, endothelial cells of brachial ar-tery and in human liver, in the present study age was not found to influence any dependent variable. In conclusion, in the present work determining mitochondrial spontaneous mutation frequencies in healthy human breast tissue was achieved for the first time and, in combination with bioinformatic network modeling and multiple linear regression model ana-lysis, a broad impression of different factors influencing mitochondrial and estrogen-induced genotoxic stress in the healthy human breast was portrayed.

Several cohort studies showed that obesity increases the risk of chronic disease such as T2DM, hypertension and non-alcoholic fatty liver disease and various types of cancer. Different factors were described that might be involving in these diseases in obesity. Some of these suggested factors were chronic infection, elevated free fatty acids, increased ROS formation, mitochondrial dysfunction and raised NAPDH oxidase activity. Obesity is a multifactorial disease and it is very hard to distinguish between all of these factors. In this study, we wanted to focus on the association between obesity, oxidative stress and genomic damage in kidney, liver and colon, which are the most relevant organs for cancer risk according to the cohort studies. Our findings indicated elevated oxidative stress in kidney, liver and colon together with elevated lipid, RNA and DNA oxidation in the whole body. Additionally, we were able to show increased DNA damage in kidney, liver and colon. Since obesity has become an epidemic all over the world, possible therapeutic applications such as life style changes (diet and sport), pharmacological supplements and various type of surgeries are increasing. As a second question, we focused on the effect of weight loss, which is supplied either by Roux-en-Y gastric bypass surgery or by caloric restriction designed in a way to provide the same extent of weight loss, on oxidative stress and genomic damage. Our results indicated that weight loss either by gastric bypass surgery or by caloric restriction led to reduced oxidative stress and genomic damage in kidney, liver and colon. We could not find any difference between the weight loss methods, except the DNA oxidation and repair marker urinary 8-oxodG, which was still elevated after RYGB, but not after caloric restriction. It is known that hyperinsulinemia and in the long term T2DM are among the biggest concerns in obese individuals. Since we know the mutagenic potential of elevated insulin levels from previous data in our working group, the correlation between the highly mutagenic DNA DBSs marker, γ-H2AX and the plasma insulin level was tested and the findings indicated a positive correlation. In order to demonstrate the association between insulin-related oxidative stress and genomic damage, we used in vitro and in vivo models with Pten deficiency. In this part of study, the work was focused on liver. Pten is a known negative regulator of the PI3K/Akt pathway, which is responsible for the elevated NADPH oxidase activity and mitochondrial dysfunction through elevated insulin levels. Pten inhibition or deficiency were used to sensitize the system to insulin. Non-transformed immortalized human hepatocytes were used to show the mutagenic potential of elevated insulin and these in vitro data revealed once more the link between insulin signaling, elevated oxidative stress and genomic damage. Since the metabolic function of the liver is not only due to the extent of the hepatic insulin response but is also affected by systemic interactions, a whole-body Pten haplodeficient mouse model with an additional Pten+/-/Akt2-/- group was utilized for in vivo investigation of insulin-mediated toxicity. Our findings in this model suggested that Pten deficiency alone can cause an increase in oxidative stress. HFD alone was sufficient to increase the expression of HO-1 and genomic damage significantly. Moreover, the combination (whole-body Pten haplodeficient mice fed with HFD) showed significantly elevated oxidative stress and genomic damage in mouse liver. However, Akt2 knockout could only reduce the oxidative stress and DNA damage in high fat diet fed mice significantly. All these findings demonstrated that obesity can induce oxidative stress and genomic damage. Elevated insulin levels are associated with obesity-mediated oxidative stress and genomic damage. However, the underlying mechanisms are surely multifaceted and complicated. For example, Pten as oncogene might also induce other mechanisms besides the elevation of the PI3K/Akt pathway activity. In conclusion, it is clear that oxidative stress and DNA damage are linked to obesity and that weight loss can reduce these two factors. Since DNA-damage is associated with an elevated cancer risk, it might be logical to use an antioxidant therapy in obese individuals to reduce the side effects and oxidative stress dependent mutagenicity and cancer risk in these individuals. However, much more research will be needed to support this idea experimentally. / Mehrere Kohorten-studien zeigten, dass Adipositas das Risiko chronischer Erkrankungen wie Diabetes Mellitus Typ 2 (T2DM), Bluthochdruck, nicht-alkoholische Fettleber sowie das Risiko für unterschiedliche Krebsarten erhöht. Verschiedene Faktoren, die in Zusammenhang mit den Erkrankungen stehen, die Adipositas verursachen wurden bereits beschrieben. Einige dieser möglichen Faktoren sind chronische Infektionen, gesteigerte freie Fettsäuren, sowie reaktive Sauerstoffradikale, mitochondriale Dysfunktion und erhöhte Aktivität von NADPH-Oxidase. Adipositas ist eine multifaktorielle Erkrankung und unter von diesen Faktoren schwierig zu trennen. In dieser Studie wurde der Schwerpunkt auf den Zusammenhang von Adipositas, oxidativem Stress und Genomschäden in der Niere, Leber und dem Darm gelegt. Diese Organe sind gemäß der Kohortenstudien die anfälligsten hinsichtlich des Krebsrisikos. Unsere Befunde zeigten einen erhöhten oxidativen Stress in Niere, Leber und Darm, zusammen mit gesteigerter systemischer RNA-, DNA- und Fettoxidation, detektierbar anhand von Urinmarkern. Zusätzlich konnte eine Zunahme von DNA-Schäden in Niere, Leber und Darm aufgezeigt werden. Da Adipositas weltweit eine Epidemie geworden ist, nehmen mögliche therapeutische Anwendungen sowie eine Änderung des Lebensstils (Diät und Sport), pharmazeutische Ergänzungsmittel und verschiedene Arten von chirurgischen Behandlungen zu. Hier wurde der Fokus auf die Wirkung des Gewichtsverlustes, der durch Roux-en-Y Magen-Bypass-Chirurgie oder durch Kalorienreduzierung mit der Vorgabe eines gleichen Ausmaßes an Gewichtsverlust vorgegeben war, auf die Intensität des oxidativen Stress und des Genomschadens gerichtet. Unsere Befunde zeigten, dass der Gewichtsverlust sowohl durch Magen-Bypass-Chirurgie als auch durch Kalorienreduzierung zu einem reduzierten oxidativem Stress und Genomschaden in der Niere, der Leber und im Darm führten. Es konnte kein Unterschied zwischen den Methoden zur Reduzierung des Gewichtes gefunden werden, außer bei der DNA-Oxidation und dem Reparaturmarker 8-oxodG im Urin, der nach der RYGB immer noch erhöht war, aber nicht nach der Kalorienreduzierung. Es ist bekannt, dass Hyperinsulinämie bzw. Diabetes Mellitus Typ 2 eines der häufigsten Probleme bei übergewichtigen Patienten ist. Da wir das mutagene Potenzial von erhöhten Insulinspiegeln aus vorherigen Daten unserer Arbeitsgruppe kannten, wurde der Zusammenhang zwischen dem hoch mutagenen DNA-DSBs-Marker γ-H2AX und dem Plasma-Insulinspiegel analysiert. Die Befunde wiesen eine positive Korrelation auf. Um die Beziehung zwischen Insulin-verursachtem oxidativem Stress und Genomschaden aufzuzeigen, wurden in-vitro und in-vivo-Modelle mit Pten-Mangel benutzt. In diesem Teil der Studie wurde das Augenmerk auf die Leber gelegt. Das Protein Pten ist als negativer Regulator des PI3K/Akt Signalwegs bekannt, der unter anderem für die erhöhte Aktivität von NADPH Oxidase und mitochondrielle Dysfunktion durch erhöhten Insulinspiegel verantwortlich ist. Pten-Hemmung oder Pten-Mangel wurde genutzt, um unsere Versuchsmodelle für Insulin zu sensibilisieren. Nicht transformierbare immortalisierte menschliche Hepatozyten wurden verwendet, um das mutagene Potenzial von erhöhtem Insulin zu untersuchen, und die damit erzielten in -vitro-Daten wiesen wiederum auf die Beziehung zwischen Insulin-Signalwegen, oxidativem Stress und Genomschaden hin. Da die metabolische Funktion der Leber nicht nur dem Ausmaß der hepatischen Insulin-Reaktion geschuldet ist, sondern auch von systemischen Interaktionen beeinflusst wird, wurde ein Mausmodell für eine in-vivo-Untersuchung eingesetzt, das neben einem haploiden Pten-Mangel (Pten+/-) in einer Tiergruppe mit einer zusätzlichen Akt2-/- Defizienz (Pten+/-/Akt2-/-). Defizienz ausgestattet war. Unsere Befunde in diesem Modell zeigten, der Pten-Mangel alleine bereits erhöhten oxidativen-Stress verursachen kann. HFD war ebenfalls alleine bereits ausreichend, um die Expression von HO-1 und Genomschäden signifikant zu steigern. Darüber hinaus zeigte die Kombination (Pten-Mangel gefüttert mit HFD) eine signifikante Erhöhung des oxidativen Stresses und der Genomschäden in der Mäuseleber. Allerdings konnte das Fehlen von Akt2 den oxidativen Stress und Genomschaden nur in den mit HFD gefütterte Tieren signifikant verringern. Alle diese Befunde wiesen darauf hin, dass Adipositas oxidativen Stress und Genomschaden hervorrufen kann. Erhöhte Insulinspiegel sind mit Insulin-verursachtem oxidativem Stress und Genomschaden assoziiert. Allerdings sind die zugrunde liegenden Mechanismen sicherlich vielfältig und kompliziert. Zum Beispiel könnte Pten als Onkogen auch andere Mechanismen außer dem Anstieg der Aktivität des PI3K/Akt-Signalwegs- herbeiführen. Zusammenfassend ist es klar, dass oxidativer Stress und DNA-Schäden mit Adipositas zusammenhängen, und dass Gewichtsreduzierung diese zwei Faktoren verringern kann. Da DNA-Schäden mit erhöhtem Krebsrisiko assoziiert sind, könnte es folglich eine logische Konsequenz sein, Antioxidantien therapeutisch bei adipösen Patienten anzuwenden, um die Nebenwirkungen und die auf oxidativem Stress beruhende Mutagenität und das Krebsrisiko dieser Patienten zu verringern. Allerdings wird weitere intensive Forschung nötig sein, um dies mit experimentellen Daten zu untermauern.

Mittels Laserblitz-Photolyse wurden die Triplettlebenszeiten sowie die Löschraten der Triplettzustände verschiedener Acetophenonderivate durch dG, 8-oxodG, DNA, molekularen Sauerstoff und die Ketone selbst bestimmt. Für AP-OAc, AP und BP wurden Triplettlebensdauern von 7-9 µs gemessen, während die Triplettzustände von AP-OH und AP-OtBu aufgrund alpha Spaltung deutlich kurzlebiger waren (ca. 1 µs); die alpha Spaltung konnte EPR-spektroskopisch durch Spinabfangexperimente mit DMPO und TEMPO belegt werden. Im Fall von AP-OMe wurde weder dessen Triplettzustand noch die Bildung von Radikalen detektiert, was auf einer schnell ablaufenden Norrish-Typ-II-Spaltung beruht. Aufgrund dieses photochemischen Verhaltens wurden die Ketone (mit Ausnahme von AP-OMe) in zwei Gruppen klassifiziert, nämlich die „Gruppe A“-Ketone (keine Radikalbildung) und die „Gruppe B“-Ketone (Radikalbildner). Während die „Gruppe A“-Ketone gegenüber niedrigen Konzentrationen von DNA (62.5 µM) inaktiv waren, verursachten die bei der Bestrahlung der „Gruppe B“-Ketone generierten Peroxylradikale, neben wenigen direkt induzierten Strangbrüchen, hauptsächlich die Guaninoxidationsprodukte 8-oxoGua und guanidinfreisetzende Produkte (GRP). Erst wenn die DNA-Konzentration zehnfach erhöht wird (625 µM), tritt bei der Photolyse der „Gruppe A“-Ketone auch DNA-Oxidation durch einen Elektronentransfer von der Guaninbase auf das angeregte Keton ein. Ein analoger Konzentrationseffekt wurde auch in der dG-Oxidation beobachtet, bei niedrigen Substratkonzentrationen sind nur die radikalbildenden „Gruppe B“-Ketone aktiv. Die Tatsache, dass in der dG-Oxidation durch die „Gruppe A“-Ketone kein 8-oxodG detektiert wurde, wurde auf dessen effiziente Oxidation durch dG•+-Radikalkationen zurückgeführt. Die „Gruppe B“-Ketone sind in Abwesenheit von O2 gegenüber dG und DNA oxidativ inaktiv, da die in der alpha Spaltung generierten kohlenstoffzentrierten Radikale keine Peroxylradikale bilden können. Die „Gruppe A“-Ketone sind gegenüber DNA in Abwesenheit wie auch in Anwesenheit von Sauerstoff genauso reaktiv, da der Elektronentransfer von DNA zum Keton unabhängig von Sauerstoff ist. Um mechanistische Einblicke in die oxidative DNA-Schädigung zu erlangen, wurden photochemische Modellstudien mit dem Nukleosid dG sowie 8-oxodG durchgeführt, wobei zusätzlich Spiroiminodihydantoin gebildet wird. Bis vor kurzem wurde die Struktur dieses Oxidationsproduktes als 4-HO-8-oxodG angenommen, dass zuerst in der dG Oxidation mit Singulettsauerstoff (1O2) beobachtet wurde. Weder Spiroiminodihydantoin noch 4 HO-8-oxodG sind als authentische Verbindungen bekannt, so dass eine zweifelsfreie Strukturaufklärung die Bestimmung der Konnektivität der markierten Positionen erforderte. Diese Zuordnung erfolgte mittels eines SELINQUATE-NMR Spektrums, mit dem schlüssig die 4 HO-8-oxodG-Struktur ausgeschlossen wurde. Wie alle „Gruppe B“-Ketone sind auch alle „Gruppe A“-Ketone in Abwesenheit von O2 mit Ausnahme von AP-OAc gegenüber dG inert. Dies ist ein Beleg dafür, dass der Elektronentransferschritt von dG zum Keton in Abwesenheit von Sauerstoff (im Gegensatz zur DNA-Oxidation) reversibel ist und daher keine Oxidation möglich ist, wenn die Ketylradikale nicht durch O2 abgefangen werden. Das aus AP-OAc gebildete Ketylradikal besitzt als einziges einen effektiven unimolekularen Deaktivierungsweg, nämlich die Acetation-abspaltung, so dass die Reversibilität nicht mehr möglich ist. / By using the laser-flash-photolysis technique, the triplet lifetimes of several acetophenone derivatives and their quenching rates by dG, 8-oxodG, DNA and molecular oxygen were determined. For AP-OAc, AP and BP, triplet lifetimes of 7-9 µs were obtained, while for AP OH and AP OtBu the lifetimes were significantly shorter (ca. 1 µs) due to alpha cleavage. The alpha cleavage was verified by spin-trapping experiments with TEMPO and DMPO by EPR-spectral detection. For AP-OMe, neither its triplet state nor radical formation was observed due to rapid Norrish-Type-II cleavage. On the basis of this photochemical behavior, the ketones (with the exception of AP-OMe) were divided into two groups, namely the “group A” ketones (no radical release) and the “group B” ketones (radical release). While the “group A” ketones were inactive at low (62.5 µM) DNA concentrations, the peroxyl radicals generated on irradiation of the “group B” ketones led to few directly induced strandbreaks; mainly the guanine oxidation product 8-oxoGua and guanidine-releasing products (GRP) were observed. Only when the DNA concentration was increased tenfold (625 µM), did the excited ketones oxidize DNA through electron transfer. An analogous concentration effect was observed with dG, since at low substrate concentrations only the radical-releasing “group B” ketones were oxidatively active. The fact that in the dG oxidation by the “group A” ketones no 8-oxodG was detected is attributed to the efficient oxidation of 8-oxodG by the dG•+ radical cation. In the absence of O2, the „group B“ ketones do not oxidize dG and DNA, because peroxyl radicals are not formed by trapping of the carbon-centered radicals produced upon alpha cleavage. Since electron transfer is independent of oxygen, the “group A” ketones display the same reactivity towards DNA, whether oxygen is present or not. To gain insight into the mechanism of the oxidative DNA damage, photochemical model studies with the nucleosides dG and 8-oxodG were performed, in which spiroiminodihydantoin was obtained as an additional oxidation product. Until recently, the supposed structure of this oxidation product was 4-HO-8-oxodG, which was first observed in the dG oxidation by singlet oxygen. Since neither spiroiminodihydantoin nor 4-HO-8-oxodG are available as authentic compounds, an unequivocal structural elucidation required to assess the connectivity of the marked atoms. This assignment was achieved by means of the SELINQUATE-NMR technique, which definetively allowed to exclude the 4-HO-8-oxodG structure. Analogous to the “group B“ ketones, in the absence of molecular oxygen also “group A“ ketones (except AP-OAc) are unreactive towards dG. Evidently, the electron-transfer step from dG to the triplet-excited ketone is reversible in the absence of oxygen, since no dG oxidation occurs when the ketyl radicals are not trapped by molecular oxygen. The ketyl radical derived from AP-OAc is unique in that it possesses a unimolecular deactivation pathway, namely the cleavage into an acetoxy ion and a benzoylmethyl radical, which provides irreversible electron transfer between triplet-excited AP-OAc and dG even in the absence of molecular oxygen.

Reaktive Sauerstoffspezies induzieren oxidative DNA-Schäden (Oxidativer Stress) und spielen daher eine entscheidende Rolle bei Mutagenese, Kanzerogenese und Alterung. Durch die zunehmende terrestrische UV-Strahlung, die die Generierung solcher Spezies fördert, ist dieses Thema von besonderer Aktualität. Während die Reaktivität von Hydroxylradikalen gegenüber DNA bereits intensiv erforscht worden ist, sind die photobiologischen Wirkungen von Alkoxylradikalen bisher kaum untersucht. Vor diesem Hintergrund sollten neue photochemische Alkoxylradikalquellen entwickelt und deren Reaktivität gegenüber Nukleinsäuren mit dem bereits etablierten System Perester I verglichen werden. Auf diese Weise sollte ein allgemeines DNA-Schadensprofil von Alkoxylradikalen aufgestellt und deren Wirkungsgrad ermittelt werden. 1. Das wasserlösliche Pyridon IIb ist aus dem entsprechenden Hydroxyderivat IIa durch Alkylierung mit tert-Butylbromid unter SN1-Bedingungen synthetisiert worden (Schema I). Seine photolytische Zersetzung führt zu den Produkten 2-Pyridon IIIa (30 Prozent) und 3-tert-Butoxy-2-pyridon IIIb (27 Prozent). Bei Bestrahlung sowohl in organischen Lösungsmitteln (Benzol) als auch in wässrigem Medium erfolgt Freisetzung von tert-Butoxylradikalen, die EPR-spektroskopisch durch Spinabfang mit DMPO als DMPO-OtBu-Addukt nachgewiesen werden. In wässrigem Medium, unter Ausschluss von molekularem Sauerstoff werden zusätzlich DMPO-Addukte von Methylradikalen (DMPO-Me) detektiert. Mit abnehmender Konzentration an eingesetztem DMPO entsprechen diese den Hauptradikaladdukten. Auch bei Photolyse der bereits etablierten tert-Butoxylradikalquelle Perester I werden unter diesen Bedingungen hauptsächlich Methylradikale abgefangen. Letztere werden aus den tert-Butoxylradikalen durch β-Fragmentierung generiert. In Gegenwart von superhelikaler pBR 322 DNA induzieren die von tert-Butoxypyridon IIb photolytisch freigesetzten Radikale Einzelstrangbrüche. 2'-Desoxyguanosin (dG) wird durch Pyridon IIb bei Bestrahlung unter aeroben Bedingungen vorwiegend zu Guanidin-freisetzenden Produkten (z.B. Oxazolon) oxidiert, während 8-oxodG in nur vernachlässigbaren Mengen gebildet wird. Der Perester I zeigt ein analoges Schadensprofil. Die Reduktion der DNA- und dG-Schädigung durch den Zusatz von Radikalfängern manifestiert, dass die von Pyridon IIb freigesetzten Radikale die Oxidantien sind. Photosensibilisierte oxidative Schädigung durch die Photoprodukte der Radikalquelle werden durch zeitabhängige Studien ausgeschlossen. Diese ergeben, dass nach vollständiger photo-lytischer Zersetzung des Pyridons IIb keine Schadensbildung sowohl an dG als auch an pBR 322 DNA mehr erfolgt. Unter Ausschluss von molekularem Sauerstoff induziert die Photolyse von Pyridon IIb und Perester I die Bildung von 8-MedG (2.3 Prozent für Pyridon IIb, 2.0 Prozent für Perester I) in beachtlichen Ausbeuten. Auch N7-MedG (0.3 Prozent) konnte detektiert werden. Daraus wird auf eine erhebliche Schadensbildung durch Methylradikale geschlossen. Unter Berücksichtigung der jeweiligen Geschwindigkeitskonstanten und der verwendeten dG-Konzentration wird ermittelt, dass weniger als 0.3 Prozent der aus Perester I oder Pyridon IIb freigesetzten tert-Butoxylradikale direkt mit dG reagieren, während mehr als 99 Prozent zu Methylradikale fragmentieren. Fazit 1: Das Pyridon IIb ist eine photochemische Quelle für tert-Butoxylradikale und zeigt das gleiche Schadensprofil gegenüber dG und DNA wie der Perester I. Die tert-Butoxylradikale können jedoch als schädigende Spezies ausgeschlossen werden, da sie viel effizienter zu Methylradikalen fragmentieren als mit dG reagieren. Die aus den Methylradikalen in Gegenwart von Sauerstoff gebildeten Methylperoxyl-radikale und deren Folgeradikale sind für die beobachteten Schäden verantwortlich. 2. Neben dem tert-Butoxypyridon IIb werden auch die Isopropoxylradikalquellen Pyridon IIc und Thiazolthion IV untersucht. Laserblitz-Studien ergeben, dass für beide Systeme die NO-Bindungsspaltung der dominierende erste photochemische Prozess ist [ФN-O = (75 ± 8)Prozent für Pyridon IIc und ФN-O = (65 ± 7)Prozent für Thiazolthion IV]. Im Falle des Thiazolthions IV zeigen sowohl Laserblitz-Experimente als auch Produktstudien auf, dass bei der Photolyse zunächst das Disulfid V gebildet wird, aus dem dann durch CS-Bindungsspaltung die Produkte VI-VIII hervorgehen. Das Isopropoxypyridon IIc liefert in Analogie zu dem tert-Butoxyderivat IIb die Photoprodukte 2-Pyridon IIIa und 3-Isopropoxy-2-pyridon IIIc. Die photolytische NO-Bindungsspaltung wird für beide Photo-Fenton-Reagenzien dadurch weiter bestätigt, dass in Gegenwart von DMPO in Benzol die Bildung von Isopropoxylradikal-Addukten EPR-spektroskopisch nachgewiesen wird. In wässrigem Medium (H2O : MeCN = 60 : 40) wird bei Bestrahlung von Pyridon IIc eine Mischung von Isopropoxyl- (DMPO-OiPr) und 2-Hydroxyprop-2-ylradikalen (DMPO-CMe2OH) mit DMPO abgefangen. Letztere Radikale gehen aus dem Isopropoxylradikal durch H-Shift hervor und werden bei Einsatz geringer Konzentrationen an DMPO EPR-spektroskopisch hauptsächlich detektiert (Schema II). Bei Bestrahlung in reinem Wasser sind diese die einzig abgefangenen Radikalspezies. Im Gegensatz dazu liefert das Thiazolthion IV unter jeglichen Bedingungen ausschließlich die DMPO-Addukte der Isopropoxylradikale. Kontrollexperimente ergeben, dass im Falle des Thiazolthions IV die 2-Hydroxyprop-2-ylradikale schneller von dem Photoprodukt Disulfid V als von DMPO abgefangen werden. Deshalb werden diese Kohlenstoffradikale nicht als DMPO-Addukte bei der Photolyse des Thiazolthions IV im EPR-Spektrum nachgewiesen, sondern ausschließlich die Isopropoxylradikaladdukte DMPO-OiPr. Fazit 2: Sowohl das Pyridon IIc als auch das Thiazolthion IV zerfallen durch photolytischen NO-Bindungsbruch unter Freisetzung von Isopropoxylradikalen, die in wässrigem Medium zu 2-Hydroxyprop-2-ylradikalen umlagern. Im Falle des Thiazolthions IV verhindert das Disulfid V, dass diese Spezies mit DMPO abgefangen werden, im Falle des Pyridons IIc sind sie die dominiernden DMPO-Radikalspezies im EPR-Spektrum. 3. Sowohl das Pyridon IIc (17 Prozent) als auch das Thiazolthion IV (12 Prozent) induzieren unter Bestrahlung in superhelikaler pBR 322 DNA in einem Lösungsmittelgemisch von H2O : MeCN = 60 : 40 nur geringe Mengen an offen-circularer DNA. In reinem Wasser hingegen, zeigt das Pyridon IIc eine viel höhere Reaktiviät zur Strangbruchbildung (32 Prozent offen-circulare DNA). Da in diesem Medium die 2-Hydroxyprop-2-ylradikale als einzige Spezies detektiert worden sind, sollten unter diesen Bedingungen Oxylradikale für die Strangbruchbildung verantwortlich sein, die aus den 2-Hydroxyprop-2-ylradikalen nach Addition von Luftsauerstoff hervorgehen. Die schwache Induktion von Strangbrüchen durch das Thiazolthion IV wird auf die Isopropoxylradikale zurückzuführen sein, da diese die einzigen Intermediate sind, die bei Bestrahlung dieses Photo-Fenton-Reagenzes detektiert werden. Fazit 3: Die von Pyridon IIc generierten 2-Hydroxyprop-2-ylradikale zeigen nach Addition von molekularem Sauerstoff eine höhere Aktivität zur Strangbruchbildung als die von Thiazolthion IV freigesetzten und ausschließlich detektierten Isopropoxylradikale. / Reactive oxygen species induce oxidative DNA damage (oxidative stress), and consequently, they play a key role in mutagenesis, cancerogenesis and aging. Due to the increasing terrestial UV radiation, which is generating such agressive species, this topic is of particular timeliness. The reactivity of hydroxyl radicals towards DNA has been intensively investigated, whereas relatively little is known on the photobiological effects of alkoxyl radicals. In this respect, the incentive of the present dissertation has been the development of new and effective photochemical alkoxyl-radical sources. Their reactivity towards DNA was to be assessed and compared with that of the perester I, which has previously been established as photochemical alkoxyl-radical source in our group. Such a photobiological model study should provide a general DNA-damaging profile for alkoxyl radicals. 1. The water-soluble pyridone IIb has been prepared from the corresponding hydroxy derivative IIa through alkylation with tert-butyl bromide under SN1 reaction conditions (Scheme I). Its photochemical decompositon affords 2-pyridone IIIa (30 per cent) and 3-tertbutoxy-2-pyridone (IIIb, 27 per cent). Upon irradiation in organic solvents (benzene) and aqueous medium, tert-butoxyl radicals are released which are trapped by DMPO and subsequently characterized as DMPO-OtBu adducts by means of EPR spectroscopy. In aqueous medium and under the exclusion of molecular oxygen, the DMPO adduct of the methyl radical is also detected and represents the dominant DMPO-radical adduct at low DMPO concentrations. The methyl radicals result from the β cleavage of the tert-butoxyl radicals, which is facilitated in aqueous media. The photochemically released radicals of the pyridone IIb induce strand breaks in supercoiled pBR 322 DNA and oxidize dG predominantly to guanidine-releasing products (e. g. oxazolone), whereas 8-oxodG is formed in negligible amounts. The perester I displays an analogous damaging profile. The addition of radical scavengers reduces strand-break formation and dG oxidation in the photolysis of the pyridone IIb, which manifests that the resulting radicals are the oxidizing agents. The oxidative damage by the photoproducts through photosensitization is excluded, since time-dependent photooxidations reveal that strand-break formation and dG oxidation level off once all of the pyridone IIb has been consumed. Under the exclusion of molecular oxygen, the photolysis of the pyridone IIb or the perester I afford appreciable amounts of 8-MedG (2.3 per cent for pyridone IIb, 2.0 per cent for perester I) and also N7-MedG is detected, which substantiates the involvement of methyl radicals. From the known rate constants for the reaction of tert-butoxyl radicals with the guanine base and for the  fragmentation of the tert-butoxyl radical into methyl radical, it may be estimated that not more than 0.3 per cent of the generated tert-butoxyl radicals react with dG(0.10 mM) and, consequently, more than 99 per cent undergo  cleavage to methyl radicals. Conclusion 1: Pyridone IIb represents a photochemical source of tert-butoxyl radicals and displays the same damaging profile towards DNA and dG like perester I. The tert-butoxyl radicals are ruled out as damaging species, since their  fragmentation into methyl radicals overwhelmingly dominates their reaction with dG. The methylperoxyl radicals formed through oxygen trapping by the methyl radicals are responsible for the observed damage. 2. In addition to the pyridone IIb, also the photochemical isopropoxyl-radical sources pyridone IIc and thiazolethione IV have been investigated. Transient spectroscopy establishes NO-bond scission (ΦN-O = 75 ± 8 per cent for IIc and 65 ± 7 per cent IV) as the dominating primary photochemical process for both reagents. Product studies and laser-flash experiments reveal that the thiazolethione IV leads primarily to the disulfide V, from which the products VI-VIII are derived through CS-bond breakage. The isopropoxypyridone IIc affords 2-pyridone IIIa and 3-isopropoxy-2-pyridone IIIc as photoproducts, analogous to the photochemistry of the tert-butoxy derivative. Further evidence for the NO-bond cleavage is provided by the fact that upon irradiation of both reagents in benzene in the presence of DMPO, the adducts of the isopropoxyl radicals have been EPR-spectrally detected. Upon photolysis of the pyridone IIc in aqueous media (H2O : MeCN = 60 : 40), a mixture of isopropoxyl and 2-hydroxyprop-2-yl radicals are trapped by DMPO. The latter radicals result from the isopropoxyl radicals through H shift and are predominantly detected when low concentrations of DMPO are used (Scheme II). Moreover, in pure water, exlusively the carbon-centered 2-hydroxyprop-2-ylradicals are trapped by DMPO. In contrast, the thiazolethione IV affords only the adducts of the isopropoxyl radicals, independent of what DMPO concentration is applied. Control experiments reveal that the disulfide V photoproduct of the thiazolethione IV scavenges the carbon-centered radicals in competition with trapping by DMPO. Conclusion 2: Both the pyridone IIc and the thiazolethione IV decompose through NO-bond cleavage under release of isopropoxyl radicals, which rearrange in aqueous media to the carbon-centered 2-hydroxyprop-2-yl radicals. In the case of the thiazolthione IV its disulfide photoproduct V prevents efficient DMPO trapping of the 2-hydroxyprop-2-yl radicals, whereas for the pyridone IIc, the DMPO adducts of the carbon-centered radicals dominate in the EPR spectrum. 3. In supercoiled pBR 322 DNA, pyridone IIc (17 per cent) and thiazolethione IV (12 per cent) induce only moderate amounts of open-circular DNA upon irradiation in a 60 : 40 mixture of H2O-MeCN. In pure water, however, the pyridone IIc photoinduces substantially more DNA cleavage (32 per cent open-circular DNA), which is attributed to the oxyl radicals generated from the 2-hydroxyprop-2-yl radicals by oxygen trapping. The lower strand-break activity of the thiazolethione IV derives presumably from isopropoxyl radicals, because only these are detected in the photolysis of this photo-Fenton reagent. Conclusion 3: The carbon-centered 2-hydroxyprop-2-yl radicals generated from pyridone IIc in aqueous media and in absence of molecular oxygen display a higher DNA photocleaving reactivity than the isopropoxyl radicals derived from the thiazolethione IV.

Zugl.: Berlin, Techn. Univ., Diss., 2007