Biopolym. Cell. 1997; 13(4):314-322.
http://dx.doi.org/10.7124/bc.000491
Геном та його регуляція
DS-Na-залежне розщеплення ядерної ДНК на високомолекулярні фрагменти: сигнал до початку апоптозу?
1Солов'ян В. Т.
  1. Інститут молекулярної біології і генетики НАН України
    Вул. Академіка Заболотного, 150, Київ, Україна, 03680

Abstract

У роботі застосовано метод високосолевої екстракції ін­тактних клітин для вивчення динаміки розщеплення ядерної ДНК при апоптозі. Показано, що апоптоз в первинній куль­турі тимоцитів і культивованих прикріплених клітинах фіб­робластів мииіі супроводжується прогресивною деградацією ядерної ДНК на високомолекулярні фрагменти розміром 50–150 тис. п. н. з подальшим формуванням олігонуклеосомних фрагментів. В апоптозних клітинах розщеплення ядерної ДНК на високо молекулярні та олігонуклеосомні фрагменти відбувається як при обробці клітин DS-Na, так і при високо-солевій, екстракції. Однак на ранніх етапах апоптозу має місце лише DS-Na-залежна високомолекулярна фрагментація ядерної ДНК, яка передує формуванню високо молекулярних фрагментів, що виявляються при високосолевій екстракції клітин. На відміну від розривів, які виявляються високосолевою екстракцією, DS-Na-залежне розщеплення ядерної ДНК на високомолекулярні фрагменти спостерігається в апоптозних клітинах перед вспливанням, а також має місце в неапоптозних клітинах, що досягли моношару. Показано, що DS-Na-за­лежне розщеплення ядерної ДНК на високомолекулярні фраг­менти на початкових стадіях апоптозу є зворотним в умо­вах, що сприяють залежному від топоізомерази II лігуванню розривів ДНК. Отримані результати свідчать, що DS-Na-за­лежне розщеплення ядерної ДНК на високомолекулярні фраг­менти є фізіологічною реакцією живих клітин, яка передує апоптозній деградації ядерної ДНК.
Повний текст: (PDF, англійською)

References

[1] Ellis RE, Yuan JY, Horvitz HR. Mechanisms and functions of cell death. Annu Rev Cell Biol. 1991;7:663-98. Review.
[2] Kerr JF, Wyllie AH, Currie AR. Apoptosis: a basic biological phenomenon with wide-ranging implications in tissue kinetics. Br J Cancer. 1972;26(4):239-57. Review.
[3] Wyllie AH, Kerr JF, Currie AR. Cell death: the significance of apoptosis. Int Rev Cytol. 1980;68:251-306. Review.
[4] McConkey DJ, Orrenius S, Jondal M. Cellular signalling in programmed cell death (apoptosis). Immunol Today. 1990;11(4):120-1. Review.
[5] Barry MA, Eastman A. Endonuclease activation during apoptosis: the role of cytosolic Ca2+ and pH. Biochem Biophys Res Commun. 1992;186(2):782-9.
[6] Caron-Leslie LM, Schwartzman RA, Gaido ML, Compton MM, Cidlowski JA. Identification and characterization of glucocorticoid-regulated nuclease(s) in lymphoid cells undergoing apoptosis. J Steroid Biochem Mol Biol. 1991;40(4-6):661-71.
[7] Arends MJ, Wyllie AH. Apoptosis: mechanisms and roles in pathology. Int Rev Exp Pathol. 1991;32:223-54. Review.
[8] Das SK, Berger NA. Alterations in deoxynucleoside triphosphate metabolism in DNA damaged cells: identification and consequences of poly(ADP-ribose) polymerase dependent and independent processes. Biochem Biophys Res Commun. 1986;137(3):1153-8.
[9] Berger NA, Berger SJ, Sudar DC, Distelhorst CW. Role of nicotinamide adenine dinucleotide and adenosine triphosphate in glucocorticoid-induced cytotoxicity in susceptible lymphoid cells. J Clin Invest. 1987;79(6):1558-63.
[10] Denisenko MF, Soldatenkov VA, Belovskaya LN, Filippovich IV. Is the NAD-poly (ADP-ribose) polymerase system the trigger in radiation-induced death of mouse thymocytes? Int J Radiat Biol. 1989;56(3):277-85.
[11] Patel T, Gores GJ, Kaufmann SH. The role of proteases during apoptosis. FASEB J. 1996;10(5):587-97. Review.
[12] Takahashi A, Earnshaw WC. ICE-related proteases in apoptosis. Curr Opin Genet Dev. 1996;6(1):50-5. .
[13] Kaufmann SH, Desnoyers S, Ottaviano Y, Davidson NE, Poirier GG. Specific proteolytic cleavage of poly(ADP-ribose) polymerase: an early marker of chemotherapy-induced apoptosis. Cancer Res. 1993;53(17):3976-85.
[14] Lazebnik YA, Cole S, Cooke CA, Nelson WG, Earnshaw WC. Nuclear events of apoptosis in vitro in cell-free mitotic extracts: a model system for analysis of the active phase of apoptosis. J Cell Biol. 1993;123(1):7-22.
[15] Zweyer M, Bareggi R, Grill V, Soranzo MR, Marugg RA, Riederer BM, Narducci P, Martelli AM. Behavior of nuclear matrix proteins during camptothecin-induced apoptosis in HL-60 human leukemia cells. Exp Cell Res. 1995;221(1):27-40.
[16] Weaver VM, Carson CE, Walker PR, Chaly N, Lach B, Raymond Y, Brown DL, Sikorska M. Degradation of nuclear matrix and DNA cleavage in apoptotic thymocytes. J Cell Sci. 1996;109 ( Pt 1):45-56.
[17] Lazebnik YA, Takahashi A, Moir RD, Goldman RD, Poirier GG, Kaufmann SH, Earnshaw WC. Studies of the lamin proteinase reveal multiple parallel biochemical pathways during apoptotic execution. Proc Natl Acad Sci U S A. 1995;92(20):9042-6.
[18] Hara S, Halicka HD, Bruno S, Gong J, Traganos F, Darzynkiewicz Z. Effect of protease inhibitors on early events of apoptosis. Exp Cell Res. 1996;223(2):372-84.
[19] Oberhammer F, Fritsch G, Schmied M, Pavelka M, Printz D, Purchio T, Lassmann H, Schulte-Hermann R. Condensation of the chromatin at the membrane of an apoptotic nucleus is not associated with activation of an endonuclease. J Cell Sci. 1993;104 ( Pt 2):317-26.
[20] Brown DG, Sun XM, Cohen GM. Dexamethasone-induced apoptosis involves cleavage of DNA to large fragments prior to internucleosomal fragmentation. J Biol Chem. 1993;268(5):3037-9.
[21] Walker PR, Kokileva L, LeBlanc J, Sikorska M. Detection of the initial stages of DNA fragmentation in apoptosis. Biotechniques. 1993;15(6):1032-40.
[22] Cohen GM, Sun XM, Fearnhead H, MacFarlane M, Brown DG, Snowden RT, Dinsdale D. Formation of large molecular weight fragments of DNA is a key committed step of apoptosis in thymocytes. J Immunol. 1994;153(2):507-16.
[23] Oberhammer F, Wilson JW, Dive C, Morris ID, Hickman JA, Wakeling AE, Walker PR, Sikorska M. Apoptotic death in epithelial cells: cleavage of DNA to 300 and/or 50 kb fragments prior to or in the absence of internucleosomal fragmentation. EMBO J. 1993;12(9):3679-84.
[24] Beere HM, Chresta CM, Alejo-Herberg A, Skladanowski A, Dive C, Larsen AK, Hickman JA. Investigation of the mechanism of higher order chromatin fragmentation observed in drug-induced apoptosis. Mol Pharmacol. 1995;47(5):986-96.
[25] Cohen GM, Sun XM, Snowden RT, Dinsdale D, Skilleter DN. Key morphological features of apoptosis may occur in the absence of internucleosomal DNA fragmentation. Biochem J. 1992;286 ( Pt 2):331-4.
[26] Schulze-Osthoff K, Walczak H, Dr?ge W, Krammer PH. Cell nucleus and DNA fragmentation are not required for apoptosis. J Cell Biol. 1994;127(1):15-20.
[27] Jacobson MD, Burne JF, Raff MC. Programmed cell death and Bcl-2 protection in the absence of a nucleus. EMBO J. 1994;13(8):1899-910.
[28] Berezney R, Coffey DS. Identification of a nuclear protein matrix. Biochem Biophys Res Commun. 1974;60(4):1410-7.
[29] Benyajati C, Worcel A. Isolation, characterization, and structure of the folded interphase genome of Drosophila melanogaster. Cell. 1976;9(3):393-407.
[30] Cook PR, Brazell IA. Conformational constraints in nuclear DNA. J Cell Sci. 1976;22(2):287-302.
[31] Adolph KW, Cheng SM, Laemmli UK. Role of nonhistone proteins in metaphase chromosome structure. Cell. 1977;12(3):805-16.
[32] Laemmli UK, Cheng SM, Adolph KW, Paulson JR, Brown JA, Baumbach WR. Metaphase chromosome structure: the role of nonhistone proteins. Cold Spring Harb Symp Quant Biol. 1978;42 Pt 1:351-60.
[33] Pardoll DM, Vogelstein B, Coffey DS. A fixed site of DNA replication in eucaryotic cells. Cell. 1980;19(2):527-36.
[34] Mirkovitch J, Mirault ME, Laemmli UK. Organization of the higher-order chromatin loop: specific DNA attachment sites on nuclear scaffold. Cell. 1984;39(1):223-32.
[35] Earnshaw WC, Heck MM. Localization of topoisomerase II in mitotic chromosomes. J Cell Biol. 1985;100(5):1716-25.
[36] Berrios M, Osheroff N, Fisher PA. In situ localization of DNA topoisomerase II, a major polypeptide component of the Drosophila nuclear matrix fraction. Proc Natl Acad Sci U S A. 1985;82(12):4142-6.
[37] Cockerill PN, Garrard WT. Chromosomal loop anchorage of the kappa immunoglobulin gene occurs next to the enhancer in a region containing topoisomerase II sites. Cell. 1986;44(2):273-82.
[38] Gasser SM, Laroche T, Falquet J, Boy de la Tour E, Laemmli UK. Metaphase chromosome structure. Involvement of topoisomerase II. J Mol Biol. 1986;188(4):613-29.
[39] Adachi Y, K?s E, Laemmli UK. Preferential, cooperative binding of DNA topoisomerase II to scaffold-associated regions. EMBO J. 1989;8(13):3997-4006.
[40] Sperry AO, Blasquez VC, Garrard WT. Dysfunction of chromosomal loop attachment sites: illegitimate recombination linked to matrix association regions and topoisomerase II. Proc Natl Acad Sci U S A. 1989;86(14):5497-501.
[41] Gasser SM, Laemmli UK. A glimpse at chromosomal order. Trends Genet. 1987;3:16–22.
[42] Poljak L, K?s E. Resolving the role of topoisomerase II in chromatin structure and function. Trends Cell Biol. 1995;5(9):348-54.
[43] Vosberg HP. DNA topoisomerases: enzymes that control DNA conformation. Curr Top Microbiol Immunol. 1985;114:19-102.
[44] Wang JC. DNA topoisomerases. Annu Rev Biochem. 1985;54:665-97. Review.
[45] Osheroff N. Biochemical basis for the interactions of type I and type II topoisomerases with DNA. Pharmacol Ther. 1989;41(1-2):223-41. Review.
[46] Liu LF. DNA topoisomerase poisons as antitumor drugs. Annu Rev Biochem. 1989;58:351-75. Review.
[47] Heller C, Pohl FM. A systematic study of field inversion gel electrophoresis. Nucleic Acids Res. 1989;17(15):5989-6003.
[48] Kaufmann SH. Induction of endonucleolytic DNA cleavage in human acute myelogenous leukemia cells by etoposide, camptothecin, and other cytotoxic anticancer drugs: a cautionary note. Cancer Res. 1989;49(21):5870-8.
[49] Solovyan VT, Andreev IO, Kolotova TYu, Pogrebnoy PV, Tarnavsky DV. The ordered disintegration of nuclear DNA as a specific genome reaction accompanying apoptosis, stress response and differentiation. Biopolym Cell. 1996; 12(3):67-76.
[50] Ucker DS. Death by suicide: one way to go in mammalian cellular development? New Biol. 1991;3(2):103-9. Review.
[51] Sen S, D'Incalci M. Apoptosis. Biochemical events and relevance to cancer chemotherapy. FEBS Lett. 1992;307(1):122-7. Review.
[52] Solov'ian VT, Andreev IO, Kunakh VA. [Fractionation of eukaryotic DNA in a pulsed electrical field. II. Discrete DNA fragments and level of structural organization of chromatin]. Mol Biol (Mosk). 1991;25(6):1483-91. Russian.
[53] Filipski J, Leblanc J, Youdale T, Sikorska M, Walker PR. Periodicity of DNA folding in higher order chromatin structures. EMBO J. 1990;9(4):1319-27.
[54] Razin SV, Hancock R, Iarovaia O, Westergaard O, Gromova I, Georgiev GP. Structural-functional organization of chromosomal DNA domains. Cold Spring Harb Symp Quant Biol. 1993;58:25-35.
[55] Solovyan VT, Andreev IO, Kunakh VA. Functional organization of plant nuclear DNA. I. Evidence for a DNA- Topoisomerase II complex. Mol Biol. (Mosk). 1993; 27: 770-4.
[56] Solovyan VT, Andreyev IO. Structural domains of plant nuclear DNA as a constitutive component of the topoisomerase II/DNA complex. Acta Biochim Pol. 1995;42(2):201-4.
[57] Lichtenstein AV, Zaboikin MM, Sjakste NI, Alechina RP. Differential dissociation of chromatin digests: a novel approach revealing a hierarchy of DNA-protein interactions within chromatin domains. J Cell Sci. 1991;99 ( Pt 3):503-13.
[58] Hsiang YH, Liu LF. Evidence for the reversibility of cellular DNA lesion induced by mammalian topoisomerase II poisons. J Biol Chem. 1989;264(17):9713-5.