Studies on the control and function of chromatin fragmentation during apoptosis
Untersuchungen zur Kontrolle und Funktion der Chromatin-Fragmentierung während der Apoptose
by Wiebke Goebel
Date of Examination:2005-06-28
Date of issue:2005-08-10
Advisor:Prof. Dr. Detlef Doenecke
Referee:Prof. Dr. Detlef Doenecke
Referee:Prof. Dr. Rüdiger Hardeland
Referee:Prof. Dr. Dietrich Gradmann
Persistent Address:
http://dx.doi.org/10.53846/goediss-554
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Description:Dissertation
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Abstract
English
Apoptosis in eukaryotic cells is often accompanied by chromatin cleavage resulting in nucleosomal fragments. This cleavage is catalyzed by a DNase (named DFF40 or CAD) which is specifically activated during apoptosis. The first aim of the study is to characterize factors influencing the activity of DFF40 in vitro. The proteins used in the experiments are either recombinantly produced in both yeast and bacteria and further purified or proteins extracted from different lymphoma cell lines. This study demonstrates that both recombinant human H1 histone subtypes and H1 histones from cultured apoptotic or control lymphoma cells have no significant differences in their effects on the apoptotic DNase DFF40. Nevertheless, various tumor cell lines differ both in their ability to undergo apoptotic DNA degradation and in their susceptibility towards induction of apoptosis. Accordingly, proteins extracted from different lymphoma cell lines show distinctly different effects on the activity of DFF40. Since DNA damage itself may trigger apoptosis, the second aim of the study is to investigate whether lacking nucleosomal DNA cleavage in vivo could be one of the factors causing enhanced resistance to apoptosis in some cell lines. Hence, apoptotic features of different lymphoma cell lines are characterized, and a stable transfection procedure is established, allowing the over-expression of different proteins. The study demonstrates a statistically significant correlation between initial extent of apoptotic DNA cleavage and a fast progression of apoptosis, as detected by comparing kinetics of the caspase activities. This supports a hypothesis of an apoptotic positive feedback loop in cells able to undergo DFF40- catalyzed nucleosomal DNA cleavage, which is induced by enhanced DNA damage in vivo and may both accelerate and enhance apoptosis.
Keywords: Apoptosis; DNA damage; DFF40/CAD; tumor cells; over-expression; caspase
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Während der Apoptose in eukaryotischen Zellen tritt häufig eine charakteristische Spaltung des Chromatins in nukleosomale Fragmente auf, die durch eine speziell während der Apoptose aktivierte DNase (DFF40 bzw. CAD) katalysiert wird. In dieser Arbeit werden zunächst im in-vitro-Ansatz Faktoren charakterisiert, die die Aktivität von DFF40/CAD beeinflussen. Dabei kommen sowohl rekombinant in Hefen oder Bakterien produzierte und aufgereinigte Proteine als auch Proteinextrakte aus verschiedenen Lymphom-Zellkulturen zum Einsatz. Es wird gezeigt, dass sowohl verschiedene rekombinante menschliche H1 Histon-Subtypen als auch H1 Histone aus apoptotischen und nicht-apoptotischen Zellen keine signifikanten Unterschiede in der Wirkung auf die apoptotische DNase DFF40 haben. Dennoch sind die Bereitschaft zur Apoptose und die Fähigkeit zur apoptotischen DNA-Fragmentierung in verschiedenen Tumor-Zelllinien verschieden stark ausgeprägt. So geht fehlende DNA-Spaltung in der Lymphom-Zelllinie Raji mit einer erhöhten Apoptoseresistenz einher, während die gleichen Bedingungen in einer anderen Lymphom-Zelllinie (Jurkat) eine schnell fortschreitende Apoptose induzieren. Auch Proteinextrakte aus diesen Zellen zeigen deutlich verschiedene Effekte in der Wirkung auf DFF40. Da DNA-Schäden ihrerseits Apoptose auslösen können, wird im zweiten Teil der Arbeit im in-vivo-Ansatz mit Lymphom-Zellkulturen überprüft, ob das Ausbleiben der nukleosomalen DNA-Fragmentierung in manchen Zelllinien eine erhöhte Apoptoseresistenz mitverursachen kann. Dazu werden die apoptotischen Eigenschaften verschiedener Lymphomzellen näher charakterisiert und ein Verfahren zur Überexpression bestimmter Proteine nach stabiler Transfektion in den humanen Lymphom- Zellen etabliert. Es wird ein statistisch signifikanter Zusammenhang zwischen dem Ausmaß der initialen apoptotischen DNA-Fragmentierung und dem schnellen Fortschritt der Apoptose, gemessen an den Kinetiken der Caspase-Aktivitäten, nachgewiesen. Dies stützt die Hypothese eines positiven apoptotischen Rückkopplungsmechanismus in Zellen die zur nukleosomalen DNA-Spaltung durch DFF40 fähig sind, der durch verstärkte DNA-Schäden induziert wird und die Apoptose beschleunigen und verstärken kann.
Schlagwörter: Apoptose; DNA-Schäden; DFF40/CAD; Tumorzellen; Überexpression; Caspase