Somatische Mutationen sind eine Hauptursache für die Entstehung von Krebs. Allerdings tragen nicht alle Mutationen gleichermaßen zur Tumorentstehung bei. Ein wichtiges Ziel der personalisierten Medizin ist es daher, die für das Wachstum und Überleben des Tumors wesentlichen (sogenannte „Treiber“-Mutationen) von den zahlreichen biologisch neutralen Mutationen (sogenannte „Passagier“-Mutationen) zu unterscheiden. In der vorliegenden Studie etablierte ich einen CRISPR-basierten, genetischen Screen mit dessen Hilfe die funktionelle Rolle von Mutationen bei Krebs untersucht werden kann. Ich konnte nachweißen, dass diese mutationsselektive Strategie geeignet ist, um neue Krebstreibermutationen in der Kolorektalkarzinom- Zelllinie RKO zu identifizieren. Dazu verwendete ich 100 unterschiedliche sgRNAs, welche jeweils eine Krebsmutationssequenz spezifisch schneiden während die Wildtyp-Sequenz nicht verändert wird. Als Kontrolle nutzte ich die Kolorektalkarzinom- Zelllinie HCT116, welche die Zielmutationen nicht trägt. Interessanterweise ergab die Datenanalyse, dass zwei sgRNAs, welche die gleiche Mutation (UTP14A: S99del) schneiden, besonders rasch und ausschließlich in RKO-Zellen verloren gingen. Im Einklang mit den Screening-Ergebnissen führte die individuelle Infektion der Zellen mit diesen sgRNAs zu einem selektiven Verlust in RKO-, nicht aber HCT-Zellen, wodurch UTP14A: S99del als mutmaßliche Treiber-Mutation in RKO-Zellen identifiziert werden konnte. Die weitere Validierung und Charakterisierung dieser mutmaßlichen Treiber-Mutation wird diskutiert. Insgesamt zeigt dieser Ansatz, dass ein solches CRISPR-basiertes System ein leistungsfähiges Werkzeug auch für umfangreichere Untersuchungen von Krebsmutationen darstellt. Parallel dazu setzte ich die CRISPR-Cas-Technologie ein, um bekannte und bisher nicht therapierbare Treiber-Mutationen, wie z.B. innerhalb der Ras-Onkogen-Familie, zu untersuchen. Bemerkenswert ist in diesem Zusammenhang, dass jeder dritte Krebspatient ein durch Mutationen aktiviertes KRAS exprimiert, welches damit das am häufigsten mutierte Onkogen in menschlichen Tumorzellen ist. Im Gegensatz zu anderen Molekülen des MAPK-Signalweges konnte KRAS bisher nicht mittels kleiner, inhibitorischer Moleküle inaktiviert werden. Unter diesen Voraussetzungen birgt ein genomischer, CRISPR-basierter Ansatz das Potenzial, eine dringend benötigte therapeutische Alternative zur KRAS-Inaktivierung zu liefern. Ich entwarf daher drei mutationsselektive sgRNAs abzielend auf die häufigsten KRAS-Mutationen. Obwohl diese Strategie geeignet war, um KRAS-mutierte Tumorzellen in 3 unterschiedlichen Krebszelllinien effizient und spezifisch zu entfernen, führte die langfristige Cas9-Expression zur Bildung von onkogenen, resistenten Klonen. Dieses Phänomen wird durch DNA-Doppelstrangbrüche und die nachfolgend einsetzende, endogene DNA-Reparaturmaschinerie begünstigt. Ich konnte zeigen, dass der Adenin-Basen-Editor im Gegensatz dazu nicht nur in der Lage ist, die KRAS-Mutation ohne Doppelstrangbruch zu inaktivieren, sondern diese auch zur Wildtyp-Sequenz reparieren kann. Mit Hilfe dieses Ansatzes erreichte ich insbesondere bei Vorliegen der G12D-Mutation, einen fast vollständigen Abbau der KRAS-korrigierten Zellen. Die Validierung in patienten-abgeleiteten KRAS-G12D-Organoiden bestätigte die effiziente Korrektur sowie die daraus resultierende erhöhte Sensitivität, wenn auch in einem geringeren Maße als in Zelllinien. Somit konnte in dieser Studie erstmals gezeigt werden, dass Basen-Editierung sowohl in Zelllinien als auch in Organoiden, welche aus Tumorzellen der Patienten stammen, erfolgreich eingesetzt werden kann. Darüber hinaus ist dieses System gut verträglich und induziert weder in Zelllinien noch in Organoiden bei Vorliegen des KRAS Wildtyps unerwünschte Nebeneffekte (sogenannte „Off-target-Effekte“). Langfristig kann die Anwendung von CRISPR-basierten- und Basen-Editierungs-technologien zum Ausschalten von KRAS-Mutationen nicht nur zu einem besseren Verständnis der RAS-Biologie führen, sondern zusammen mit neuen Verabreichungsformen und Technologien die Grundlage für eine dringend benötigte KRAS-Therapie bilden.

Les extrémités des chromosomes eucaryotes ressemblent à une cassure double brin et, en tant que telles, peuvent conduire à l'activation indésirable de la réponse aux dommages de l'ADN. Les télomères sont une structure ribonucléoprotéique qui coiffe les extrémités des chromosomes et les protège contre l'activation indésirable de la réparation des dommages à l'ADN. Après chaque division cellulaire, on observe un raccourcissement progressif des télomères, ce qui limite leur potentiel prolifératif. Une enzyme spécialisée, la télomérase, reconstitue les télomères pour contrebalancer leur érosion. La télomérase est régulée à la baisse dans la plupart des cellules somatiques. Cependant, l'activité de la télomérase est détectée dans la plupart des cellules souches adultes, bien qu'à de faibles niveaux. Le déficit en télomérase a été associé à un groupe de "troubles de la biologie des télomères" (ou téloméropathies), englobant des maladies de vieillissement prématuré, des syndromes d'insuffisance de la moelle osseuse, des fibroses pulmonaires et des maladies du foie. À l'inverse, dans le cancer, environ 85 % des types de tumeurs sont positifs à la télomérase. Par conséquent, l'inhibition de la télomérase est depuis longtemps considérée comme une cible attrayante pour le traitement du cancer. Dans la présente étude, nous avons cherché à découvrir les facteurs qui affectent la fonction de la télomérase humaine et d'autres protéines associées aux télomères ou à la télomérase. Tout d'abord, nous nous sommes concentrés sur l'identification de nouveaux inhibiteurs de la télomérase à partir de composés naturels. Une nouvelle catéchine a été identifiée dans les extraits végétaux de Burkea africana. Les catéchines sont une classe de molécules que l'on trouve couramment dans le thé vert. La catéchine isolée a inhibé la télomérase humaine recombinante in vitro avec un IC50 de 16,19 μM. Dans un deuxième chapitre, nous avons utilisé un criblage d'édition de bases CRISPR dans une lignée cellulaire humaine pour étudier des mutations cliniquement pertinentes dans 22 gènes importants pour l'homéostasie des télomères. Nous avons identifié des variantes qui affectent négativement l'aptitude cellulaire, y compris certaines variantes précédemment annotées comme variantes de signification incertaine. Nous avons également détecté pour la première fois des variantes hTERT qui confèrent une résistance à la petite molécule BIBR1532, un inhibiteur de la télomérase. Nous avons montré que ces allèles résistants aux médicaments permettent l'immortalisation cellulaire et ont un potentiel tumorigène accru. L'ensemble de ces études souligne l'importance de la télomérase humaine pour le maintien des télomères et la santé cellulaire, contribuant ainsi à une meilleure compréhension du rôle de la télomérase dans le cancer et les troubles de la biologie des télomères. / The extremities of eukaryotic chromosomes resemble a double-stranded break and, as such, can lead to the unwanted activation of the DNA damage response. Telomeres are a ribonucleoprotein structure that caps the ends of the chromosomes and protects them from the unwanted activation of DNA damage recognition and repair processes. After each cellular division, progressive telomere shortening is observed, limiting cellular proliferative potential. A specialized enzyme called telomerase replenishes telomeres to counterbalance telomere erosion. Telomerase is downregulated in most somatic cells. However, telomerase activity is detected in most adult stem cells, although at low levels. Telomerase deficiency has been linked to a group of “Telomere Biology Disorders” (or telomeropathies), encompassing premature aging diseases, bone marrow failure syndromes, pulmonary fibrosis and liver diseases. Conversely, in cancer, around 85% of tumour types are telomerase-positive. Therefore, telomerase inhibition has long been considered an attractive target for cancer therapy. In the present study, we aimed to uncover factors that affect the function of human telomerase and other telomere or telomerase-associated proteins. Firstly, we focused on identifying new telomerase inhibitors from natural compounds. A new catechin was identified in the plant extracts from Burkea africana. Catechins are a class of molecules commonly found in green tea. The isolated catechin inhibited recombinant human telomerase in vitro with an IC50 of 16.19 μM. In the second chapter, we employed a CRISPR base editing screen in a human cell line to investigate clinically-relevant mutations in 22 genes important for telomere homeostasis. We identified variants that negatively affected cell fitness, including some variants previously annotated as variants of uncertain significance. Also, we uncovered hTERT variants that confer resistance to the small molecule BIBR1532, a telomerase inhibitor. We showed that these drug-resistant alleles permit cellular immortalization and exhibit tumorigenic potential at levels comparable to wild-type telomerase. Combined, these studies highlight the importance of human telomerase for telomere maintenance and cell fitness, thereby furthering our understanding of the role of telomerase in cancer and telomere biology disorders.