Background Human pluripotent stem cells have the ability to generate all cell types present in the adult organism, therefore harboring great potential for the in vitro study of differentiation and for the development of cell-based therapies. Nonetheless their use may prove challenging as incomplete differentiation of these cells might lead to tumoregenicity. Interestingly, many cancer types have been reported to display metabolic modifications with features that might be similar to stem cells. Understanding the metabolic properties of human pluripotent stem cells when compared to their differentiated counterparts can thus be of crucial importance. Furthermore recent data has stressed distinct features of different human pluripotent cells lines, namely when comparing embryo-derived human embryonic stem cells (hESCs) and induced pluripotent stem cells (IPSCs) reprogrammed from somatic cells. Methodology/Principal Findings We compared the energy metabolism of hESCs, IPSCs, and their somatic counterparts. Focusing on mitochondria, we tracked organelle localization and morphology. Furthermore we performed gene expression analysis of several pathways related to the glucose metabolism, including glycolysis, the pentose phosphate pathway and the tricarboxylic acid (TCA) cycle. In addition we determined oxygen consumption rates (OCR) using a metabolic extracellular flux analyzer, as well as total intracellular ATP levels by high performance liquid chromatography (HPLC). Finally we explored the expression of key proteins involved in the regulation of glucose metabolism. Conclusions/Findings Our results demonstrate that, although the metabolic signature of IPSCs is not identical to that of hESCs, nonetheless they cluster with hESCs rather than with their somatic counterparts. ATP levels, lactate production and OCR revealed that human pluripotent cells rely mostly on glycolysis to meet their energy demands. Furthermore, our work points to some of the strategies which human pluripotent stem cells may use to maintain high glycolytic rates, such as high levels of hexokinase II and inactive pyruvate dehydrogenase (PDH).

Recent data in invertebrates demonstrated that huntingtin (htt) is essential for fast axonal trafficking. Here, we provide direct and functional evidence that htt is involved in fast axonal trafficking in mammals. Moreover, expression of full-length mutant htt (mhtt) impairs vesicular and mitochondrial trafficking in mammalian neurons in vitro and in whole animals in vivo. Particularly, mitochondria become progressively immobilized and stop more frequently in neurons from transgenic animals. These defects occurred early in development prior to the onset of measurable neurological or mitochondrial abnormalities. Consistent with a progressive loss of function, wild-type htt, trafficking motors, and mitochondrial components were selectively sequestered by mhtt in human Huntington's disease-affected brain. Data provide a model for how loss of htt function causes toxicity; mhtt-mediated aggregation sequesters htt and components of trafficking machinery leading to loss of mitochondrial motility and eventual mitochondrial dysfunction.

Abstract —The mechanisms by which reactive species (RS) participate in the development of atherosclerosis remain incompletely understood. The present study was designed to test the hypothesis that RS produced in the vascular environment cause mitochondrial damage and dysfunction in vitro and, thus, may contribute to the initiating events of atherogenesis. DNA damage was assessed in vascular cells exposed to superoxide, hydrogen peroxide, nitric oxide, and peroxynitrite. In both vascular endothelial and smooth muscle cells, the mitochondrial DNA (mtDNA) was preferentially damaged relative to the transcriptionally inactive nuclear β -globin gene. Similarly, a dose-dependent decrease in mtDNA-encoded mRNA transcripts was associated with RS treatment. Mitochondrial protein synthesis was also inhibited in a dose-dependent manner by ONOO − , resulting in decreased cellular ATP levels and mitochondrial redox function. Overall, endothelial cells were more sensitive to RS-mediated damage than were smooth muscle cells. Together, these data link RS-mediated mtDNA damage, altered gene expression, and mitochondrial dysfunction in cell culture and reveal how RS may mediate vascular cell dysfunction in the setting of atherogenesis.

In this chapter, we describe a gene-specific quantitative PCR (QPCR)-based assay for the measurement of DNA damage, using amplification of long DNA targets. This assay has been used extensively to measure the integrity of both nuclear and mitochondrial genomes exposed to different genotoxins and has proven to be particularly valuable in identifying reactive oxygen species-mediated mitochondrial DNA damage. QPCR can be used to quantify both the formation of DNA damage as well as the kinetics of damage removal. One of the main strengths of the assay is that it permits monitoring the integrity of mtDNA directly from total cellular DNA without the need for isolating mitochondria or a separate step of mitochondrial DNA purification. Here we discuss advantages and limitations of using QPCR to assay DNA damage in mammalian cells. In addition, we give a detailed protocol of the QPCR assay that helps facilitate its successful deployment in any molecular biology laboratory.

Ultraviolet A light is commonly emitted by UV-nail polish dryers with recent reports suggesting that long-term use may increase the risk for developing skin cancer. However, no experimental evaluation has been conducted to reveal the effect of radiation emitted by UV-nail polish dryers on mammalian cells. Here, we show that irradiation by a UV-nail polish dryer causes high levels of reactive oxygen species, consistent with 8-oxo-7,8-dihydroguanine damage and mitochondrial dysfunction. Analysis of somatic mutations reveals a dose-dependent increase of C:G>A:T substitutions in irradiated samples with mutagenic patterns similar to mutational signatures previously attributed to reactive oxygen species. In summary, this study demonstrates that radiation emitted by UV-nail polish dryers can both damage DNA and permanently engrave mutations on the genomes of primary mouse embryonic fibroblasts, human foreskin fibroblasts, and human epidermal keratinocytes.

SUMMARY Oxidative stress is a primary cause of cellular senescence and contributes to the pathogenesis of numerous human diseases. Oxidative damage to telomeric DNA is proposed to trigger premature senescence by accelerating telomere shortening. Here we tested this model directly using a precision tool to produce the common base lesion 8-oxo-guanine (8oxoG) exclusively at telomeres in human fibroblast and epithelial cells. A single induction of telomeric 8oxoG is sufficient to trigger multiple hallmarks of p53-dependent senescence. Telomeric 8oxoG activates ATM and ATR signaling, and enriches for markers of telomere dysfunction in replicating, but not quiescent cells. Acute 8oxoG production fails to shorten telomeres, but rather generates fragile sites and delayed mitotic DNA synthesis at telomeres, indicative of impaired replication. Based on our results we propose that oxidative stress promotes rapid senescence by producing oxidative base lesions which drive replication-dependent telomere fragility and dysfunction in the absence of shortening and shelterin loss.

Templated DNA repair that occurs during homologous recombination and replication stress relies on RAD51. RAD51 activity is positively regulated by BRCA2 and the RAD51 paralogs. The Shu complex is a RAD51 paralog-containing complex consisting of SWSAP1, SWS1, and SPIDR. We demonstrate that SWSAP1-SWS1 binds RAD51, maintains RAD51 filament stability, and enables strand exchange. Using single-molecule confocal fluorescence microscopy combined with optical tweezers, we show that SWSAP1-SWS1 decorates RAD51 filaments proficient for homologous recombination. We also find SWSAP1-SWS1 enhances RPA diffusion on ssDNA. Importantly, we show human sgSWSAP1 and sgSWS1 knockout cells are sensitive to pharmacological inhibition of PARP and APE1. Lastly, we identify cancer variants in SWSAP1 that alter Shu complex formation. Together, we show that SWSAP1-SWS1 stimulates RAD51-dependent high-fidelity repair and may be an important new cancer therapeutic target.

Abstract Single-molecule characterization of protein-DNA dynamics provides unprecedented mechanistic details about numerous nuclear processes. Here, we describe a new method that rapidly generates single-molecule information for fluorescently tagged proteins isolated from nuclear extracts of human cells. This approach determines binding lifetimes ( k off ), events per second (∼ k on ), positional dependence (specificity), and characterizes 1D diffusion along DNA. We demonstrated the wide applicability of this approach on three forms of DNA damage using seven native DNA repair proteins and two structural variants, including: poly(ADP-ribose) polymerase (PARP1), heterodimeric ultraviolet-damaged DNA-binding protein (UV-DDB), xeroderma pigmentosum complementation group C protein (XPC), and 8-oxoguanine glycosylase 1 (OGG1). By measuring multiple fluorescent colors simultaneously, we additionally characterized the assembly and disassembly kinetics of multi-protein complexes on DNA. Thus, Single-Molecule Analysis of DNA-binding proteins from Nuclear Extracts (SMADNE) provides new insights about damage recognition and represents a universal technique that can be used to rapidly characterize numerous protein-DNA interactions.

Abstract Templated DNA repair that occurs during homologous recombination and replication stress relies on RAD51. RAD51 activity is positively regulated by BRCA2 and the RAD51 paralogs. The Shu complex is a RAD51 paralog-containing complex consisting of SWSAP1 and SWS1. We demonstrate that SWSAP1-SWS1 binds RAD51, maintains RAD51 filament stability, and enables strand exchange. Using single molecule confocal fluorescence microscopy combined with optical tweezers, we show that SWSAP1-SWS1 decorates RAD51 filaments proficient for homologous recombination. We also find SWSAP1-SWS1 enhances RPA diffusion on ssDNA. Importantly, we show human sgSWSAP1 and sgSWS1 knockout cells are sensitive to pharmacological inhibition of PARP and APE1. Lastly, we identify cancer variants in SWSAP1 that alter SWS1 complex formation. Together, we show that SWSAP1-SWS1 stimulates RAD51-dependent high-fidelity repair and may be an important new cancer therapeutic target.