CRISPR-Cas systems are highly diverse and canonically function as prokaryotic adaptive immune systems. The canonical resistance mechanism relies on spacers that are complementary to the invaders' nucleic acids. By accidental incorporation or other mechanisms, prokaryotes can also acquire self-targeting spacers that are complementary to their own genome. As self-targeting commonly leads to lethal autoimmunity, the existence of self-targeting spacers poses a paradox. In Chapter 1, we provide an overview of the prevalence of self-targeting spacers, summarize how they can be incorporated, and which means can be employed by the host to evade lethal self-targeting. In addition, we outline alternative functions of CRISPR-Cas systems that are associated with self-targeting spacers. Whether CRISPR-Cas systems can efficiently target their own genome depends heavily on the presence of protospacer adjacent motifs (PAMs) next to the target region. In Chapter 2, we developed a method to determine PAM requirements. Thereby, we specifically focused on type I systems that engage multi-protein complexes, which are challenging to assess. Using the cell-free transcription-translation (TXTL) system, we developed an enrichment-based binding assay and validated its reliability by examining the well-known PAM requirements of the E. coli type I-E system. In Chapter 3, we applied the TXTL-based PAM assay to assess 16 additional CRISPR-Cas systems. These 16 systems included three CRISPR-Cas associated transposons (CASTs). CASTs are recently discovered transposons that employ CRISPR-Cas systems in a non-canonical function for the directed integration of the transposon. To further characterize CASTs in TXTL outside their PAM requirements, we reconstituted the transposition of CASTs in TXTL. In Chapter 4, we turned to non-canonical self-targeting CRISPR-Cas systems, which were already discussed in Chapter 1. While investigating how the plant pathogen Xanthomonas albilineans survives self-targeting by its two endogenous CRISPR-Cas systems, we identified multiple putative anti-CRISPR proteins (Acrs) in the genome of X. albilineans. Two of the Acrs, named AcrIC11 and AcrIF12Xal, inhibited degradation by their respective CRISPR-Cas systems but still retained Cascade-binding ability, and appear responsible for the lack of autoimmunity in X. albilineans. In summary, we developed new technologies that eased the investigation of non-canonical multi-component systems and, if applied to additional systems, might reveal unique properties that could be implemented in new CRISPR-Cas based tools. / CRISPR-Cas-Systeme sind sehr vielfältig und funktionieren kanonisch als prokaryotische adaptive Immunsysteme. Der kanonische Resistenzmechanismus basiert auf Spacern, die komplementär zu den Nukleinsäuren der Eindringlinge sind. Durch zufällige Inkorporation oder andere Mechanismen können Prokaryoten auch Spacer integrieren, die komplementär zu ihrem eigenen Genom sind. Da Selbst-targeting in der Regel zu letaler Autoimmunität führt, stellt die Existenz von selbst-targeting Spacern ein Paradoxon dar. In Kapitel 1 geben wir einen Überblick über die Verbreitung von selbst-targeting Spacern, fassen zusammen, wie sie eingebaut werden können und welche Mittel der Wirt einsetzen kann, um sich dem letalen Selbst-targeting zu entziehen. Darüber hinaus werden alternative Funktionen von CRISPR-Cas-Systemen skizziert, die mit selbst-targeting Spacern in Verbindung gebracht werden. Ob CRISPR-Cas-Systeme Ziele in ihrem eigenen Genom erkennen können, hängt stark davon ab ob bestimmte Motive neben der Zielregion (protospacer adjacent motifs, PAMs) vorhanden sind. In Kapitel 2 haben wir eine Methode entwickelt, um die Anforderungen an PAMs zu bestimmen. Dabei konzentrierten wir uns speziell auf Typ I Systeme, deren Erforschung durch Nutzung von Multiproteinkomplexen erschwert wird. Unter Verwendung des zellfreien Transkriptions-Translations-Systems (TXTL) entwickelten wir einen Test der zur Anreicherung erkannter PAMs führt. Seine Zuverlässigkeit validierten wir, indem wir die bekannten PAM-Anforderungen des E. coli Typ I-E Systems untersuchten. In Kapitel 3 wendeten wir den TXTL-basierten PAM-Assay an, um 16 weitere CRISPR-Cas-Systeme zu untersuchen. Zu diesen 16 Systemen gehörten drei CRISPR-Cas-assoziierte Transposons (CASTs). CASTs sind kürzlich entdeckte Transposons, die CRISPR-Cas-Systeme in einer nicht-kanonischen Funktion für die gerichtete Integration des Transposons einsetzen. Um CASTs in TXTL außerhalb ihrer PAM-Anforderungen weiter zu charakterisieren, haben wir die Transposition von CASTs in TXTL rekonstruiert. In Kapitel 4 wandten wir uns den nicht-kanonischen, selbst-targeting CRISPR-Cas-Systemen zu, die bereits in Kapitel 1 behandelt wurden. Während wir untersuchten, wie das Pflanzenpathogen Xanthomonas albilineans Selbst-targeting durch seine beiden endogenen CRISPR-Cas-Systeme überlebt, identifizierten wir mehrere mutmaßliche Anti-CRISPR-Proteine (Acrs) im Genom von X. albilineans. Zwei dieser Acrs, AcrIC11 und AcrIF12Xal, hemmten die Degradation durch ihre jeweiligen CRISPR-Cas-Systeme, erlaubten aber dennoch DNA-Bindung durch Cascade. Diese beiden Acrs scheinen für das Fehlen von Autoimmunität bei X. albilineans verantwortlich zu sein. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass wir neue Technologien entwickelt haben, die die Untersuchung von nicht-kanonischen Mehrkomponentensystemen erleichtert haben und bei Anwendung auf weitere Systeme einzigartige Eigenschaften offenbaren könnten, die in neue CRISPR-Cas-basierte Tools implementiert werden könnten.

Allogenic hematopoietic stem cell transplantation (allo-HCT) is a curative therapy for the treatment of malignant and non-malignant bone marrow diseases. The major complication of this treatment is a highly inflammatory reaction known as Graft-versus-Host Disease (GvHD). Cyclosporin A (CsA) and tacrolimus are used to treat GvHD which limits inflammation but also interferes with the anticipated Graft-versus-Leukemia (GvL) effect. These drugs repress conventional T cells (Tcon) along with regulatory T cells (Treg), which are important for both limiting GvHD and supporting GvL. Both of these drugs inhibit calcineurin (CN), which dephosphorylates and activates the nuclear factor of activated T-cells (NFAT) family of transcription factors. Here, we make use of our Cd4cre.Cas9+ mice and developed a highly efficient non-viral CRISPR/Cas9 gene editing method by gRNA-only nucleofection. Utilizing this technique, we demonstrated that unstimulated mouse T cells upon NFATc1 or NFATc2 ablation ameliorated GvHD in a major mismatch mouse model. However, in vitro pre-stimulated mouse T cells could not achieve long-term protection from GvHD upon NFAT single-deficiency. This highlights the necessity of gene editing and transferring unstimulated human T cells during allo-HCT. Indeed, we established a highly efficient ribonucleoprotein (RNP)-mediated CRISPR/Cas9 gene editing for NFATC1 and/or NFATC2 in pre-stimulated as well as unstimulated primary human T cells. In contrast to mouse T cells, not NFATC1 but NFATC2 deficiency in human T cells predominantly affected proinflammatory cytokine production. However, either NFAT single-knockout kept cytotoxicity of human CD3+ T cells untouched against tumor cells in vitro. Furthermore, mouse and human Treg were unaffected upon the loss of a single NFAT member. Lastly, NFATC1 or NFATC2-deficient anti-CD19 CAR T cells, generated with our non-viral ‘one-step nucleofection’ method validated our observations in mouse and human T cells. Proinflammatory cytokine production was majorly dependent on NFATC2 expression, whereas, in vitro cytotoxicity against CD19+ tumor cells was undisturbed in the absence of either of the NFAT members. Our findings emphasize that NFAT single-deficiency in donor T cells is superior to CN-inhibitors as therapy during allo-HCT to prevent GvHD while preserving GvL in patients. / Die allogene hämatopoetische Stammzelltransplantation (allo-HCT) ist eine kurative Therapie zur Behandlung bösartiger und nicht bösartiger Knochenmarkerkrankungen. Die Hauptkomplikation dieser Behandlung ist eine hochgradige Entzündungsreaktion, die als Graft-versus-Host-Disease (GvHD) bekannt ist. Zur Behandlung der GvHD werden Cyclosporin A (CsA) und Tacrolimus eingesetzt, die die Entzündung eindämmen, aber auch den gewünschten Graft-versus-Leukämie-Effekt (GvL) beeinträchtigen. Diese Medikamente unterdrücken sowohl konventionelle T-Zellen (Tcon) als auch regulatorische T-Zellen (Treg), die sowohl für die Begrenzung der GvHD, als auch für die Unterstützung der GvL wichtig sind. Beide Medikamente hemmen Calcineurin (CN), das die Transkriptionsfaktoren der Familie der Nuclear Factor of Activated T-Cells (NFAT) dephosphoryliert und aktiviert. Hier nutzten wir unsere Cd4cre.Cas9+-Mäuse und entwickelten eine hocheffiziente, nicht-virale CRISPR/Cas9-Geneditierungsmethode mittels reiner gRNA-Nukleofektion. Mithilfe dieser Technik konnten wir zeigen, dass unstimulierte T-Zellen der Maus nach Ablation von NFATc1 oder NFATc2 die GvHD in einem Major-Mismatch-Mausmodell mildern. In vitro vorstimulierte T-Zellen von Mäusen konnten jedoch keinen langfristigen Schutz vor GvHD bei NFAT-Einzeldefizienz erreichen. Dies unterstreicht die Notwendigkeit der Gen-Editierung und des Transfers unstimulierter menschlicher T-Zellen während einer allo-HCT. In der Tat konnten wir ein hocheffizientes Ribonukleoprotein (RNP)-vermitteltes CRISPR/Cas9 gene-editing für NFATC1 und/oder NFATC2 nicht nur in vorstimulierten, sondern auch in unstimulierten primären menschlichen T-Zellen etablieren. Im Gegensatz zu T-Zellen von Mäusen wirkte sich der Mangel an NFATC2, nicht aber so sehr an NFATC1, in menschlichen T-Zellen überwiegend auf die Produktion proinflammatorischer Zytokine aus. Bei beiden NFAT-Single-Knockouts blieb jedoch die Zytotoxizität menschlicher CD3+ T-Zellen gegen Tumorzellen in vitro unangetastet. Darüber hinaus wurden die Treg von Maus und Mensch durch den Verlust eines einzelnen NFAT-Mitglieds nicht beeinträchtigt. Schließlich bestätigten NFATC1- oder NFATC2-defiziente Anti-CD19-CAR-T-Zellen, die mit unserer nicht-viralen "Ein-Schritt-Nukleofektionsmethode" erzeugt wurden, unsere Beobachtungen zu T-Zellen von Maus und Mensch. Die Produktion proinflammatorischer Zytokine hing hauptsächlich von der NFATC2-Expression ab, während die In-vitro-Zytotoxizität gegen CD19+-Tumorzellen in Abwesenheit eines der beiden NFAT-Mitglieder ungestört war. Unsere Ergebnisse unterstreichen, dass der Mangel eines einzelnen NFAT-Mitglieds in Spender-T-Zellen einer Therapie mit CN-Inhibitoren während einer allo-HCT überlegen ist. Hier könnten wir eine GvHD verhindern und gleichzeitig den GvL-Effekt in allo-HCT-Patienten erhalten.

CRISPR-Cas systems use CRISPR RNAs (crRNAs) to recognize and clear invading nucleic acids. In type II and some type V systems, a trans-activating crRNA (tracrRNA) binds to crRNAs to drive their maturation and subsequent interference by Cas9 and Cas12, respectively. Despite the diversified distribution of tracrRNA and its wide use for genome editing, a few related questions remain to be elucidated. Does crRNA solely derive from CRISPR loci? Could the tracrRNA hybridize with other cellular RNAs containing repeat-like sequences, resulting in crRNA-like RNA? Could we even engineer tracrRNA to sense any RNA-of-interest? To answer these questions, we analyzed the RNAs co-immunoprecipitated with Cas9 from Campylobacter jejuni, and unexpectedly found that tracrRNA hijacked some cellular RNAs as noncanonical crRNAs, which can guide DNA targeting by Cas9. We then demonstrated that the tracrRNA can be reprogrammed to sense any RNA-of-interest. We exploited this RNA sensing capability to develop an in vitro multiplexed RNA detection platform LEOPARD and an in vivo RNA recording platform TIGER. We further combined Rptrs with collateral cleavage of single-stranded DNA by Cas12 nucleases to create a direct RNA detection platform with signal amplification. Finally, we provided a detailed protocol for Rptrs design. My work establishes a new mode of crRNA biogenesis, created a new framework for RNA detection and recording, and would open more opportunities and applications for transcription-dependent editing, regulation and therapy. / CRISPR-Cas Systeme nutzen CRISPR RNAs (crRNAs) um eindringende Nukleinsäuren zu erkennen und abzuwehren. In Typ II und manchen Typ V Systemen, bindet eine trans-aktivierende crRNA (tracrRNA) an crRNAs, um deren Reifung und darauffolgende Interferenz durch Cas9 bzw. Cas12 voranzutreiben. Trotz der diversifizierten Verbreitung von tracrRNA und deren breite Anwendung für Genom-Editierung, bestehen weiterhin ungeklärte Fragen. Stammen crRNAs ausschließlich von CRISPR loci ab? Könnte die tracrRNA mit anderen zellulären RNAs, die Repeat-artige Sequenzen enthalten, hybridisieren und crRNA-ähnliche RNA bilden? Könnte man sogar trcrRNA konstruieren, um beliebige RNAs von Interesse zu erkennen? Um diese Fragen zu beantworten, analysierten wir RNAs die mit Cas9 von Campylobacter jejuni co-präzipitierten. Dabei stellten wir unerwarteter Weise fest, dass tracrRNAs bestimmte zelluläre RNAs als nicht-kanonische crRNAs kaperten und folglich Cas9 zu DNS-Zielsequenzen steuern konnten. Als nächstes demonstrierten wir, dass trcrRNAs umprogrammiert werden können, um beliebige RNAs von Interesse zu erkennen. Wir nutzten dieses RNA Wahrnehmungsvermögen, um eine in vitro Multiplex RNA Erkennungsplattform LEOPARD und eine in vivo RNA Aufzeichnungsplattform TIGER zu entwickeln. Zusätzlich kombinierten wir Rptrs mit der kollateraler Spaltung von Einzelstrang-DNS durch Cas12 Nukleasen, um eine direkte RNA Detektierungsplattform mitsamt Signalamplifikation zu entwickeln. Zum Schluss stellten wir ein detailliertes Protokoll für das Entwerfen von Rptrs bereit. Meine Arbeit etabliert eine neue Art der crRNA Biogenese, schafft ein neues Rahmenwerk für die Detektion und Aufzeichnung von RNA und eröffnet mehr Möglichkeiten und Anwendungen für transkriptionsabhängige Editierung, Regulation und Therapie.

CRISPR-Cas systems are a versatile tool in genetic engineering because they can be easily reprogrammed to cut a specific chromosomal region or RNA transcript. The choice of nuclease, gRNA design, and target region all influence targeting efficiency, so the appropriate CRISPR components should be chosen depending on the desired application. This thesis examines factors that influence targeting in both DNA- and RNA-targeting CRISPR systems. Chapter 1 discusses the importance of target RNA abundance in shaping the immunity of type VI CRISPR systems. In bacteria, the Cas13 nuclease is known to degrade RNA specifically and non-specifically, leading to cell growth arrest, also known as dormancy. In this chapter, the factors that determine dormancy are investigated by targeting genome- and plasmid-encoded transcripts in E. coli. The observations are extended to a gRNA library targeting the entire coding genome and gRNA design rules are extrapolated. Finally, the role of Cas13 in defense is investigated by testing how the system behaves during viral infection or plasmid transformation. Chapter 2 also looks at the factors that characterize targeting efficiency, but focuses on the Cas12a DNA-targeting system in K. pneumoniae. The ultimate goal is to develop CRISPR antimicrobials as alternatives to antibiotics to eliminate multidrug-resistant and hypervirulent bacteria. Several nucleases are tested for antimicrobial activity, the Cas12a nuclease is selected and the same gRNAs are used against different strains to understand the robustness of the method. Rules for gRNA design are also investigated by looking at secondary structure and testing a gRNA library across several genomic regions in two different strains. This information is used to develop a machine-learning algorithm to predict gRNA activity. In addition, the CRISPR-Cas systems are also packaged in a T7-like phage with engineered tail fibers and delivered to K. pneumoniae. While Chapter 2 uncovers various factors that improve targeting efficiency, Chapter 3 aims to reduce targeting by the Cas9 and Cas12a nucleases to favor homology-directed repair for genome editing in E. coli. Targeting is slowed down so that some copies of the chromosomes remain intact, allowing the bacterium to survive and integrate the desired edit. To reduce targeting, different gRNA formats or nuclease variations are used, gRNA expression is modulated, or gRNAs with attenuated targeting are designed. Attenuated gRNAs are tested to introduce point mutations as well as whole gene deletions and substitutions, and the method is extended to Klebsiella oxytoca and Klebsiella pneumoniae, where it is applied to block transcription of an antibiotic resistance gene in the genome, restoring sensitivity to ampicillin. Overall, this work discusses how changing the CRISPR components alters the outcome of targeting and highlights strategies to achieve efficient or attenuated targeting depending on the desired application. / CRISPR-Cas-Systeme sind ein vielseitiges Werkzeug in der Gentechnik, da sie leicht umprogrammiert werden können, um eine bestimmte chromosomale Region oder ein RNA-Transkript zu schneiden. Die Wahl der Nuklease, das Design der gRNA und die Zielregion beeinflussen alle die Effizienz des Targetings, so dass die richtigen CRISPR-Komponenten je nach gewünschter Anwendung ausgewählt werden sollten. In dieser Arbeit werden die Faktoren untersucht, die das Targeting sowohl bei DNA-targeting als auch bei RNA-targeting CRISPR-Systemen beeinflussen. In Kapitel 1 wird erörtert, wie die Häufigkeit der Ziel-RNA die Immunität von Typ VI CRISPR-Systemen ausprägt. In Bakterien ist von der Cas13-Nuklease bekannt, dass sie RNA spezifisch und unspezifisch abbaut, was zu einem Stillstand des Zellwachstums führt, der auch als Dormanz bezeichnet wird. In diesem Kapitel werden die Faktoren untersucht, die Dormanz determinieren, indem genom- und plasmidkodierte Transkripte in E. coli ins Visier genommen werden. Die Beobachtungen werden auf eine gRNA-Bibliothek ausgeweitet, die auf das gesamte kodierende Genom abzielt, und es werden gRNA-Designregeln extrapoliert. Schließlich wird die Rolle von Cas13 bei der Verteidigung untersucht, indem getestet wird, wie sich das System während einer Virusinfektion oder Plasmidtransformation verhält. Kapitel 2 befasst sich ebenfalls mit den Faktoren, die die Targeteffizienz charakterisieren, konzentriert sich jedoch auf das Cas12a-DNA-Targeting-System in K. pneumoniae. Das Endziel ist die Entwicklung von CRISPR-Antimikroben als Alternative zu Antibiotika, um multiresistente und hypervirulente Bakterien zu eliminieren. Mehrere Nukleasen werden auf ihre antimikrobielle Aktivität getestet, die Cas12a-Nuklease wird ausgewählt und dieselben gRNAs werden gegen verschiedene Stämme eingesetzt, um die Robustheit der Methode zu verstehen. Außerdem werden die Regeln für das Design von gRNAs untersucht, indem die Sekundärstruktur betrachtet und eine gRNA-Bibliothek, die verschiedenen genomische Regionen in zwei verschiedenen Stämmen umfasst, getestet wird. Diese Informationen werden zur Entwicklung eines Algorithmus für maschinelles Lernen verwendet, um die gRNA-Aktivität vorherzusagen. Darüber hinaus werden die CRISPR-Cas-Systeme auch in einen T7-ähnlichen Phagen mit manipulierten Schwanzfasern verpackt und an K. pneumoniae übertragen. Während in Kapitel 2 verschiedene Faktoren aufgedeckt werden, die die Effizienz des Targetings verbessern, zielt Kapitel 3 darauf ab, das Targeting durch die Cas9- und Cas12a-Nukleasen zu reduzieren, um homology directed repair für Genom-Editierung in E. coli zu begünstigen. Das Targeting wird verlangsamt, so dass einige Kopien der Chromosomen intakt bleiben und das Bakterium überleben und die gewünschte Veränderung integrieren kann. Um das Targeting zu reduzieren, werden verschiedene gRNA-Formate oder Nuklease-Variationen verwendet, die gRNA-Expression wird moduliert, oder es werden gRNAs mit abgeschwächten Targeting entwickelt. Abgeschwächte gRNAs werden getestet, um Punktmutationen, Deletionen und Substitutionen ganzer Gene einzuführen, und die Methode wird auf Klebsiella oxytoca und Klebsiella pneumoniae ausgeweitet, wo sie zur Blockierung der Transkription eines Antibiotikaresistenzgens im Genom eingesetzt wird, um die Empfindlichkeit gegenüber Ampicillin wiederherzustellen. Insgesamt wird in dieser Arbeit erörtert, wie die Veränderung der CRISPR-Komponenten die Folgen des Targetings verändert und es werden Strategien hervorgehoben, um effizientes oder abgeschwächtes Targeting, je nach der gewünschten Anwendung, zu erreichen.

The evolutionary success of higher plants is largely attributed to their tremendous developmental plasticity, which allows them to cope with adverse conditions. However, because these adaptations require investments of resources, they must be tightly regulated to avoid unfavourable trade-offs. Most of the resources required are macronutrients based on carbon and nitrogen. Limitations in the availability of these nutrients have major effects on gene expression, metabolism, and overall plant morphology. These changes are largely mediated by the highly conserved master kinase SNF1-RELATED PROTEIN KINASE1 (SnRK1), which represses growth and induces catabolic processes. Downstream of SnRK1, a hub of heterodimerising group C and S1 BASIC LEUCINE ZIPPER (bZIP) transcription factors has been identified. These bZIPs act as regulators of nutrient homeostasis and are highly expressed in strong sink tissues, such as flowers or the meristems that initiate lateral growth of both shoots and roots. However, their potential involvement in controlling developmental responses through their impact on resource allocation and usage has been largely neglected so far. Therefore, the objective of this work was to elucidate the impact of particularly S1 bZIPs on gene expression, metabolism, and plant development. Due to the high homology and suspected partial redundancy of S1 bZIPs, higher order loss-of-function mutants were generated using CRISPR-Cas9. The triple mutant bzip2/11/44 showed a variety of robust morphological changes but maintained an overall growth comparable to wildtype plants. In detail however, seedlings exhibited a strong reduction in primary root length. In addition, floral transition was delayed, and siliques and seeds were smaller, indicating a reduced supply of resources to the shoot and root apices. However, lateral root density and axillary shoot branching were increased, suggesting an increased ratio of lateral to apical growth in the mutant. The full group S1 knockout bzip1/2/11/44/53 showed similar phenotypes, albeit far more pronounced and accompanied by growth retardation. Metabolomic approaches revealed that these architectural changes were accompanied by reduced sugar levels in distal sink tissues such as flowers and roots. Sugar levels were also diminished in leaf apoplasts, indicating that long distance transport of sugars by apoplastic phloem loading was impaired in the mutants. In contrast, an increased sugar supply to the proximal axillary buds and elevated starch levels in the leaves were measured. In addition, free amino acid levels were increased in bzip2/11/44 and bzip1/2/11/44/53, especially for the important transport forms asparagine and glutamine. The increased C and N availability in the proximal tissues could be the cause of the increased axillary branching in the mutants. To identify bZIP target genes that might cause the observed shifts in metabolic status, RNAseq experiments were performed. Strikingly, clade III SUGARS WILL EVENTUALLY BE EXPORTED (SWEET) 8 genes were abundant among the differentially expressed genes. As SWEETs are crucial for sugar export to the apoplast and long-distance transport through the phloem, their reduced expression is likely to be the cause of the observed changes in sugar allocation. Similarly, the reduced expression of GLUTAMINE AMIDOTRANSFERASE 1_2.1 (GAT1_2.1), which exhibits glutaminase activity, could be an explanation for the abundance of glutamine in the mutants. Additional experiments (ATAC-seq, DAP� seq, PTA, q-RT-PCR) supported the direct induction of SWEETs and GAT1_2.1 by S1 bZIPs. To confirm the involvement of these target genes in the observed S1 bZIP mutant phenotypes, loss-of-function mutants were obtained, which showed moderately increased axillary branching. At the same time, the induced overexpression of bZIP11 in axillary meristems had the opposite effect. Collectively, a model is proposed for the function of S1 bZIPs in regulating sink tissue development. For efficient long-distance sugar transport, bZIPs may be required to induce the expression of clade III SWEETs. Thus, reduced SWEET expression in the S1 bZIP mutants would lead to a decrease in apoplastic sugar loading and a reduced supply to distal sinks such as shoot or root apices. The reduction in long� distance transport could lead to sugar accumulation in the leaves, which would then increasingly be transported via symplastic routes towards proximal sinks such as axillary branches and lateral roots or sequestered as starch. The reduced GAT1_2.1 levels lead to an abundance of glutamine, a major nitrogen transport form. The combined effect on C and N allocation results in increased nutrient availability in proximal tissues, promoting the formation of lateral plant organs. Alongside emerging evidence highlighting the power of bZIPs to steer nutrient allocation in other species, a novel but evolutionary conserved role for S1 bZIPs as regulators of developmental plasticity is proposed, while the generation of valuable data sets and novel genetic resources will help to gain a deeper understanding of the molecular mechanisms involved / Der evolutionäre Erfolg höherer Pflanzen wird weitgehend auf ihre enorme Entwicklungsplastizität zurückgeführt, die es ihnen ermöglicht, widrigen Bedingungen zu trotzen. Da diese Anpassungen jedoch einen immensen Ressourceneinsatz erfordern, müssen sie streng reguliert werden, um unvorteilhafte Reaktionen zu vermeiden. Den Großteil der benötigten Ressourcen machen Makronährstoffe auf der Basis von Kohlenstoff und Stickstoff aus. Eine eingeschränkte Verfügbarkeit dieser Nährstoffe hat erhebliche Auswirkungen auf die Genexpression, den Stoffwechsel und die Morphologie der Pflanzen. Diese Veränderungen werden größtenteils durch die hochkonservierte Kinase SNF1-RELATED PROTEIN KINASE1 (SnRK1) vermittelt, die das Wachstum unterdrückt und katabole Prozesse einleitet. Downstream von SnRK1 wurde ein Netzwerk von heterodimerisierenden Transkriptionsfaktoren der Gruppe C und S1 BASIC LEUCINE ZIPPER (bZIP) identifiziert. Diese bZIPs wirken als Regulatoren der Nährstoffhomöostase und werden vor allem in starken sink-Geweben wie Blüten oder den Meristemen, die das Seitenwachstum von Sprossen und Wurzeln ermöglichen, exprimiert. Ihre potenzielle Beteiligung an der Steuerung von Entwicklungsreaktionen durch ihren Einfluss auf die Ressourcenzuteilung und -nutzung wurde bisher jedoch weitgehend vernachlässigt. Ziel dieser Arbeit war es daher, die Auswirkungen insbesondere von S1 bZIPs auf die Genexpression, den Stoffwechsel und die Pflanzenentwicklung zu erforschen. Aufgrund der hohen Homologie und der vermuteten teilweisen Redundanz der S1 bZIPs wurden mithilfe von CRISPR-Cas9 loss-of-function Mutanten höherer Ordnung erzeugt. Die Dreifachmutante bzip2/11/44 zeigte eine Vielzahl robuster morphologischer Veränderungen, behielt aber insgesamt ein mit Wildtyp-Pflanzen vergleichbares Wachstum bei. Im Detail jedoch wiesen die Keimlinge eine starke Verringerung der Primärwurzellänge auf. Darüber hinaus verzögerte sich der Blühzeitpunkt, und die Schoten und Samen waren kleiner, was auf eine geringere Versorgung der Spross- und Wurzelspitzen mit Ressourcen hinweist. Die Dichte der Seitenwurzeln und die axilläre Verzweigung des Sprosses waren jedoch erhöht, was auf ein erhöhtes Verhältnis von lateralem zu apikalem Wachstum in der Mutante hindeutet. Die Knockout-Mutante bzip1/2/11/44/53 zeigte ähnliche Phänotypen, wenn auch weitaus ausgeprägter und begleitet von Wachstumsverzögerungen. Metabolische Untersuchungen ergaben, dass diese Veränderungen in der Architektur mit reduzierten Zuckerspiegeln in distalen sink� Geweben wie Blüten und Wurzeln einhergingen. Die Zuckerspiegel waren auch in den Apoplasten der Blätter vermindert, was darauf hindeutet, dass der Ferntransport von Zucker durch apoplastische Phloembeladung in den Mutanten beeinträchtigt war. Im Gegensatz dazu wurden eine erhöhte Zuckerzufuhr zu den proximalen Achselknospen und erhöhte Stärkekonzentrationen in den Blättern gemessen. Zusätzlich war die Konzentration freier Aminosäuren in bzip2/11/44 und bzip1/2/11/44/53 10 erhöht, insbesondere für die wichtigen Transportformen Asparagin und Glutamin. Die erhöhte C- und N-Verfügbarkeit in den proximalen Geweben könnte die Ursache für die verstärkte axilläre Verzweigung in den Mutanten sein. Um bZIP-Zielgene zu identifizieren, die die beobachteten Verschiebungen im Stoffwechselstatus verursachen könnten, wurden RNAseq-Experimente durchgeführt. Auffallend ist, dass die Gene der Gruppe III SUGARS WILL EVENTUALLY BE EXPORTED (SWEET) unter den unterschiedlich exprimierten Genen sehr häufig vorkamen. Da SWEETs für den Zuckerexport in den Apoplasten und den Langstreckentransport durch das Phloem von entscheidender Bedeutung sind, ist ihre verringerte Expression wahrscheinlich die Ursache für die beobachteten Veränderungen in der Zuckerallokation. Ebenso könnte die verringerte Expression von GLUTAMIN AMIDOTRANSFERASE 1_2.1 (GAT1_2.1), die Glutaminase-Aktivität aufweist, eine Erklärung für die Häufigkeit von Glutamin in den Mutanten sein. Zusätzliche Experimente (ATAC-seq, DAP-seq, PTA, q-RT-PCR) bestätigten die direkte Induktion von SWEETs und GAT1_2.1 durch S1 bZIPs. Um die Beteiligung dieser Zielgene an den in den S1 bZIP� Mutanten beobachteten Phänotypen zu bestätigen, wurden loss-of-function-Mutanten untersucht, die eine mäßig erhöhte axilläre Verzweigung aufwiesen. Gleichzeitig hatte die induzierte Überexpression von bZIP11 in axillären Meristemen den gegenteiligen Effekt. Auf Basis dieser Ergebnisse wird ein Modell für die Funktion von S1 bZIPs bei der Regulierung der Entwicklung von sink-Geweben vorgeschlagen. Für einen effizienten Zuckertransport über große Entfernungen könnten bZIPs erforderlich sein, um die Expression von SWEETs der Gruppe III zu induzieren. Eine verringerte SWEET-Expression in den S1 bZIP-Mutanten würde zu einem Rückgang der apoplastischen Zuckerbeladung und einer verringerten Versorgung von distalen sink-Geweben wie den Spross- oder Wurzelspitzen führen. Die Verringerung des Ferntransports könnte zu einer Anhäufung von Zucker in den Blättern führen, der dann verstärkt über symplastische Wege zu proximalen sink� Geweben wie den axillären Meristem und Seitenwurzeln transportiert oder als Stärke gespeichert wird. Die verringerte GAT1_2.1 Expression führt zu einem Überfluss an Glutamin, einer wichtigen Stickstofftransportform. Die kombinierte Wirkung auf die C- und N-Allokation führt zu einer erhöhten Nährstoffverfügbarkeit in den proximalen Geweben und fördert die Bildung von seitlichen Pflanzenorganen. Neben neuen Erkenntnissen, die die Wirksamkeit von bZIPs bei der Steuerung der Nährstoffallokation in anderen Arten unterstreichen, wird eine neuartige, jedoch evolutionär konservierte Rolle für S1 bZIPs als Regulatoren der Entwicklungsplastizität vorgeschlagen, während die Generierung wertvoller Datensätze und neuer genetischer Ressourcen dazu beitragen wird, ein tieferes Verständnis der beteiligten molekularen Mechanismen zu gewinnen.

IRAK2 besitzt eine Schlüsselrolle im Signalweg des TLR4. Fehlregulationen dieses Signalwegs führen zu fehlgeleiteten Immunreaktionen, die auch die Entstehung und Progression von Krebserkrankungen fördern. Bevor IRAK2 als therapeutisches Ziel in Frage kommen kann, muss erst noch weitere Klarheit über die grundsätzliche Funktionsweise dieses Proteins bestehen. So ist für IRAK2 aufgrund der Substitution einer Aminosäure in der Kinase-Domäne im Vergleich zu IRAK1 noch nicht abschließend geklärt, ob es sich um eine aktive Kinase oder eine Pseudokinase handelt und ob diese Veränderung eine Erhöhung oder eine Erniedrigung der Funktion im TLR4-Signalweg nach sich zieht. Um diese Fragen anzugehen, wurde in dieser Arbeit Asparagin im vermeintlich aktiven Zentrum (Aminosäure 333) wieder zur Asparaginsäure [N333D] revertiert und damit versucht die Phosphorylierungsaktivität zu steigern bzw. vergleichbar zu IRAK1 wiederherzustellen. Das Einbringen der Mutation in IRAK2 erfolgte mittels ortsspezifischer Mutagenese. Mit dieser und anderen Mutanten und mit wildtypischem IRAK2 wurden durch die CRISPR/Cas9-Methode generierte IRAK2-defiziente 264.7 Makrophagen rekonstituiert und damit ein System etabliert, mit dem der Einfluss der Mutation auf den Signalweg des TLR4 nach Stimulation mit LPS quantitativ analysiert werden konnte. Sowohl die indirekte NF-κB-Messung über CD40-Expression als auch die direkte NF-κB-Messung über die NF-κB-getriebene Expression eines Reportergens (cyan fluorescent protein) ergab, dass IRAK2[N333D] die LPS-abhängige NF-κB-Aktivierung über den TLR4 Signalweg schlechter ermöglicht als IRAK2. Insgesamt deuten die Ergebnisse darauf hin, dass die in der Entwicklungsgeschichte aufgetretene Veränderung des aktiven Zentrums von IRAK2 im Vergleich zu IRAK1 zu einer besseren Aktivierung der MyD88-abhängigen NF-κB-Aktivität führte und somit eine erhöhte und länger anhaltende Signalleitung ermöglichte. Diese Erkenntnis kann als weiterer Schritt hin zu einem besseren Verständnis der Funktion des IRAK2-Proteins und zu einer möglichen zukünftigen Verwendung von IRAK2 als Ziel therapeutischer Behandlungen gesehen werden. / Toll-like receptors are fundamental for many immune cells. The protein IRAK2 plays a key role in the signaling pathway downstream of TLR4 and other TLRs. Due to a change at amino acid position 333 of the protein from aspartate (D) to asparagine (N) in the presumed active center of the kinase it is unclear if IRAK2 is an active kinase. In this research the mutation IRAK2-N333D was investigated thereby trying to reconstitute the evolutionarily original version of the protein. Interestingly, overexpression of IRAK2-N333D in IRAK2-deficient RAW 264.7 cells obtained by using the CRISPR/Cas9-system was less effective in activating LPS-induced CD40 expression and NF-κB activity as compared to wild type IRAK2. Our results suggest that the evolutionary alteration in the "catalytic center" of IRAK2 led to improved signal transduction thereby allowing longer-lasting activation of the cells. This knowledge might help to better target IRAK2 in therapies.

Morbus Cushing ist die häufigste Ursache für endogenes Cushing-Syndrom und führt auf Grund eines kortikotropen Hypophysenadenoms zu einem Glucocorticoid Überschuss und wiederum zu einer hohen Morbidität und Mortalität. Die Ursache hierfür sind unter anderem somatische Mutationen in den Deubiquitinasen USP8 und USP48. Das Ziel dieser Arbeit war es mittels der CRISPR/Cas9-Methode, die Mutationen USP8 und USP48 in Zelllinien zu etablieren und diese für Cushing-Syndrom Analysen zu verwenden. Hierfür wurden in dieser Arbeit gRNAs für USP8 und USP48 designt, welche anschließend in die humane embryonale Zelllinie HEK293AD Zellen transfiziert wurden. Diese Zellen wurden zu monoklonalen Zellen vereinzelt. Ziel war einen Knock-out von USP8 bzw. USP48 zu generieren. Es konnte ein erfolgreicher Zellklon generiert werden mit einem Knock-out von USP48. Ebenfalls konnte ein Genomediting von USP8 in Exon 20 durchgeführt werden. Zusammenfassend konnte die CRISPR/Cas9 Methode für ein M. Cushing-Zellmodells etabliert und eine gute Ausgangsbasis für weitere Experimente (z.B. ein gezielter Knock-in von USP8- und USP48- Mutationen) generiert werden. / Cushing disease (CD) is the most common reason for endogenous Cushing syndrome (CS). It is caused by corticotrope adenoma of the pituitary resulting in hypercortisolism that is associated with high morbidity and mortality. One of the underlying reasons are the activating mutations of the deubiquitinase USP8 and USP48. The objective of this work was to establish the USP8 and USP48 mutations in cell lines by the CRISPR/Cas9 method in order to use them for further CS analyses. Therefore, we designed gRNAs against USP8 and USP48 which were transfected into the human embryonal cell line of HEK293AD cells. Those cells were separated to generate monoclonal cell lines entailing the knock-out of either USP8 or USP48. We successfully provided a cell clone with a knock-out of USP48. Furthermore, we were able to edit the genome of USP8 in exon 20. In summary we were able to establish the CRISPR/Cas9 method for a CD cell model and provided a good baseline for further experiments (i.e., creating a knock-in of USP8 and USP48 mutations).

Ziel der vorliegenden Arbeit war die nanoskopische Analyse struktureller Differenzierung und Plastizität präsynaptischer aktiver Zonen (AZs) an der NMJ von Drosophila melanogaster mittels hochauflösender, lichtmikroskopischer Bildgebung von Bruchpilot (Brp). In erster Linie wurde das lokalisationsmikroskopische Verfahren dSTORM angewendet. Es wurden neue Analyse-Algorithmen auf der Basis von HDBSCAN entwickelt, um eine objektive, in weiten Teilen automatisierte Quantifizierung bis auf Ebene der Substruktur der AZ zu ermöglichen. Die Differenzierung wurde am Beispiel phasischer und tonischer Synapsen, die an dieser NMJ durch Is- und Ib-Neurone gebildet werden, untersucht. Phasische Is-Synapsen mit hoher Freisetzungswahrscheinlichkeit zeigten kleinere, kompaktere AZs mit weniger Molekülen und höherer molekularer Dichte mit ebenfalls kleineren, kompakteren Brp-Subclustern. Akute strukturelle Plastizität wurde am Beispiel präsynaptischer Homöostase, bei der es zu einer kompensatorisch erhöhten Neurotransmitterfreisetzung kommt, analysiert. Interessanterweise zeigte sich hier ebenfalls eine kompaktere Konfiguration der AZ, die sich auch auf Ebene der Subcluster widerspiegelte, ohne Rekrutierung von Molekülen. Es konnte demonstriert werden, dass sich eine höhere Moleküldichte in der Lokalisationsmikroskopie in eine höhere Intensität und größere Fläche in der konfokalen Mikroskopie übersetzt, und damit der Zusammenhang zu scheinbar gegensätzlichen Vorbefunden hergestellt werden. Die Verdichtung bzw. Kompaktierung erscheint im Zusammenhang mit der Kopplungsdistanz zwischen VGCCs und präsynaptischen Vesikeln als plausibles Muster der effizienten Anordnung molekularer Komponenten der AZ. Die hier eingeführten Analysewerkzeuge und molekularbiologischen Strategien, basierend auf dem CRISPR/Cas9-System, zur Markierung von AZ-Komponenten können zukünftig zur weiteren Klärung der Bedeutung der molekularen Verdichtung als allgemeines Konzept der AZ-Differenzierung beitragen. / The aim of this work was a nanoscopic analysis of structural differentiation and plasticity of presynaptic active zones (AZs) at the NMJ of Drosophila melanogaster using super-resolution light microscopy of Bruchpilot (Brp). The localization microscopy technique dSTORM was primarily used. New analysis algorithms based on HDBSCAN were developed to ensure objective and largely automatized quantification including the substructure of the AZ. Differentiation was assessed using the model of phasic and tonic neurons that are represented by type Is and type Ib neurons at this NMJ. Phasic Is synapses with higher release probability displayed smaller, more compact AZs with less molecules and an enhanced molecular density with smaller, more compact Brp subclusters. For acute structural plasticity the model of presynaptic homeostasis, which is accompanied by a compensatory increase of neurotransmitter release, was used. Interestingly, this again showed a more compact arrangement of the AZ, that was also found in Brp subclusters, without addition of molecules. It could be demonstrated that a higher molecular density in localization microscopy translates into a higher intensity and area in confocal microscopy and, thus, the apparent discrepancy to earlier studies could be explained. With respect to the coupling distance between VGCCs and presynaptic vesicles compaction appears to be a plausible mechanism for an efficient remodeling of AZ components. The analysis tools and molecular biology strategies, based on the CRISPR/Cas9-System, introduced here will be useful to further clarify the importance of molecular compaction as a general concept of AZ differentiation.

Die Hypophosphatasie (HPP) ist eine seltene Erberkrankung, welche durch compound-heterozygote oder dominant negative heterozygote Mutationen des ALPL Gens zu einem Funktionsverlust der gewebeunspezifischen Alkalischen Phosphatase (TNAP) führt. Die daraus resultierenden Mineralisierungsstörungen betreffen sowohl den Knochen als auch in milderen Ausprägungsformen die Zähne und den Zahnhalteapparat. Das zahnmedizinische Leitsymptom und in vielen Fällen das erste Anzeichen der HPP ist dabei der vorzeitige Verlust der Milchzähne ohne physiologische Wurzelresorption. Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene TNAP defiziente immortalisierte Zellen des parodontalen Ligaments (PDL) mittels der CRISPR/Cas9 Methode generiert und anschließend fünf Zelllinien charakterisiert. Die dabei entstandenen Mutationen variierten von einer moderaten heterozygoten Punktmutation zu einer schwerwiegenden homozygoten Deletion eines einzelnen Nukleotids, welche in einem vorzeitigen Stopcodon resultierte. Analysen der ALPL Expression (qPCR), TNAP Aktivitätsmessungen (CSPD Assay) und TNAP Färbungen zeigten einen signifikanten Rückgang in allen TNAP-defizienten Zelllinien mit einer starken Korrelation zwischen der Restaktivität und dem Ausmaß der Mutation, welche in Einklang mit der komplexen Genotyp-Phänotyp Korrelation bei HPP zu bringen ist. Das Potential der osteogenen Differenzierung der hTERT PDL Zellen wurde in der homozygot mutierten Zelllinie komplett unterdrückt. Mögliche Mechanismen des vorzeitigen Zahnverlustes bei HPP Patienten ist die geminderte Formation und Mineralisation des Wurzelzements und die fehlerhafte Insertion der parodontalen Fasern. Die hier erstmalig etablierten Zellkulturmodelle liefern ein valides spenderunabhängiges in vitro Modell der HPP, welches dazu beitragen kann, die molekularbiologischen Zusammenhänge der dentalen Aspekte der Hypophosphatasie zu ergründen und daraus gegebenenfalls neue Therapieansätze abzuleiten. / Hypophosphatasia (HPP) is a rare inherited disorder caused by loss-of-function mutations in the ALPL gene encoding the Tissue Nonspecific Alkaline Phosphatase (TNAP). Besides skeletal symptoms, some patients also present dental abnormalities like for example the premature loss of deciduous teeth. Here we generated and characterized five different TNAP-deficient periodontal ligament (PDL) derived cell lines using the method of CRISPR-Cas9. The mutations varied from a moderate heterozygous point mutation to a severe homozygous deletion leading to a premature stop codon. Analysis of the ALPL expression and TNAP activity measurements in CSPD Assays and TNAP stainings revealed a decrease for all TNAP-deficient cell lines with a strong correlation between the residual activity and the extend of the mutation. The already limited differentiation capacity of immortalized hTERT (human telomerase reverse transcriptase) PDL cells is completely abolished in the homozygously mutated cell line. Putative key mechanisms for the premature exfoliation in HPP are the restricted formation and mineralization of the cementum and the impaired insertion of elastic dental fibers. The newly generated TNAP-deficient cell lines provide a promising and donor independent in vitro model to gain better understanding of the molecular mechanisms of dental problems in HPP.

Hypophosphatasie (HPP) beschreibt eine seltene Erbkrankheit, die hauptsächlich durch heterozygote Mutationen im ALPL-Gen verursacht wird. Diese führen zu einer verminderten Aktivität der gewebeunspezifischen alkalischen Phosphatase (TNAP). Neben skelettalen Symptomen sind Zahnanomalien wie der vorzeitige Verlust von Milchzähnen ohne resorbierte Wurzel sowie eine gestörte Mineralisierung der Zahnhart-substanzen ein typisches Merkmal der HPP. Die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen sind bisher noch nicht vollständig verstanden. In der vorliegenden Arbeit wurden Zelllinien des parodontalen Ligaments mit Mutationen im ALPL-Gen charakterisiert, um anschließend mögliche Therapiestrategien für die HPP auf molekularer Ebene zu untersuchen. Im Rahmen der basalen Charakterisierung wurden die Zelllinien hinsichtlich der TNAP-Expression (Immunhistochemie, Western Blot), des Stoffwechselprofils (ATP-Assay) und des osteogenen Differenzierungspotenzials (Alizarin-Färbung) analysiert. Von Interesse war auch, ob durch CRISPR/Cas9-basiertes Genediting Off-Target Mutationen entstanden sind. Zur Untersuchung der molekularen Auswirkungen von PTH, welches die ALPL-Expression steigern kann, wurden zwei Protokolle etabliert, die eine kontinuier-liche, kurzzeitige bzw. intermittierende Präsenz von PTH in-vitro imitieren. Anschließend wurde die ALPL-Expression (qPCR) sowie TNAP-Aktivität (CSPD-Assay) ermittelt. Die basale TNAP-Expression war variabel und reichte vom völligen Fehlen in den Zell-linien mit Deletionen bis hin zu einer starken TNAP-Expression in der Zelllinie mit einer heterogenen Punktmutation. Eine niedrige Expression ging mit einer verringerten Zell-proliferation sowie extrazellulären ATP einher. Es zeigte sich ein unterschiedliches Mineralisierungspotenzial, das hauptsächlich das TNAP-Expressionsniveau in den verschiedenen Zelllinien widerspiegelt, während die PTH-Stimulation keine Wirkung auf die Differenzierung hatte. Im Gegensatz zu klinischen Beobachtungen deuten die Ergebnisse auf eine hohe Korrelation zwischen Genotyp und Phänotyp in-vitro hin, die in-vivo noch bestätigt werden müssen. Die Sequenzierung bestätigte, dass durch die Geneditierung keine Off-Target Mutationen aufgetreten sind, welche somit keinen limitierenden Faktor hinsichtlich der Differenzierungskapazität darstellen können. Die Stimulation mit PTH führte zwar nicht zu einer gesteigerten ALPL-Expression, doch konnte die TNAP-Aktivität in den ALPL-defizienten Zelllinien punktuell gesteigert werden und bildet somit eine solide Basis für weitere Experimente, die zur Therapieentwicklung für die Odonto-HPP beitragen können. / Hypophosphatasia (HPP) describes a rare inherited disorder caused mainly by heterozygous mutations in the ALPL gene. These lead to impaired activity of tissue non-specific alkaline phosphatase (TNAP). In addition to skeletal symptoms, dental abnormalities such as premature loss of deciduous teeth without resorption of the roots and impaired mineralization of tooth hard tissues are typical features of HPP. The underlying molecular mechanisms are not yet fully understood. In the present study, cell lines of the periodontal ligament with mutations in the ALPL gene were characterized to subsequently investigate potential therapeutic strategies for HPP at the molecular level. As part of the basal characterization, the cell lines were analyzed with respect to TNAP expression (immunohistochemistry, Western blot), metabolic profile (ATP assay) and osteogenic differentiation potential (alizarin staining). Also of interest was whether off-target mutations resulted from CRISPR/Cas9-based gene editing. To investigate the molecular effects of Parathyroid Hormone (PTH), which can increase ALPL expression, two protocols were established that mimic continuous, short-term, and intermittent presence of PTH in-vitro. ALPL gene expression (qPCR), as well as TNAP activity (CSPD assay) were then determined. Basal TNAP expression was variable, ranging from complete absence in the cell lines with deletions to strong TNAP expression in the cell line with a heterogeneous point mutation. Low expression was associated with decreased cell proliferation as well as extracellular ATP. There was a differential mineralization potential mainly reflecting the TNAP expression level in the different cell lines, whereas PTH stimulation had no effect on differentiation. In contrast to clinical observations, the results indicate a high correlation between genotype and phenotype in-vitro, which remains to be confirmed in-vivo. Sequencing confirmed that no off-target mutations occurred as a result of gene editing, which thus cannot be a limiting factor with respect to differentiation capacity. Although stimulation with PTH did not result in increased ALPL expression, TNAP activity was selectively increased in the ALPL-deficient cell lines, providing a solid basis for further experiments that may contribute to therapy development for Odonto-HPP.