Las CRISPR son unas repeticiones agrupadas regularmente espaciadas presentes en numerosos y diversos grupos de procariotas. Junto con unos genes asociados a las repeticiones (genes cas) forman los sistemas CRISPR-Cas. En trabajos incluidos en esta tesis se predijo que los sistemas CRISPR-Cas podrían proporcionar inmunidad adaptativa específica guiada por las secuencias espaciadoras, lo que tras comprobarse ha conllevado una revolución en aplicaciones biotecnológicas y en el modo de entender la microbiología. Se analizan en mayor detalle la funcionalidad del sistema CRISPR-Cas I-E de Escherichia coli, su diversidad, evolución y posible uso para el tipado de cepas. En relación con la adquisición de espaciadores se incluye un método patentado para detectarlas y la propuesta de un mecanismo de acción. Dado que el sistema CRISPR-Cas I-E se encuentra presente pero reprimido en la mayoría de cepas silvestres de E. coli, se discute qué papel ha podido desarrollar en la especie.

Les systèmes CRISPR-Cas confèrent aux bactéries une immunité adaptative contre les éléments génétiques mobiles jouant ainsi un rôle important dans l’évolution bactérienne. Cependant, moins de la moitié des génomes bactériens encodent des systèmes CRISPR-Cas ; cela, malgré la protection qu’ils confèrent et leur haut taux de transfert horizontal. Des hypothèses telles que le coût des phénomènes d’auto-immunité ou de posséder des défenses adaptatives plutôt qu’innées ont été mises en avant pour expliquer ce paradoxe. Je propose une nouvelle hypothèse complémentaire : le contexte génétique jouerait un rôle important dans la fixation d’un système CRISPR-Cas après son transfert. Plus précisément, j’ai étudié comment les interactions entre les systèmes de réparation de l’ADN et les CRISPR-Cas influencent la distribution de ces derniers. Pour cela, j’ai d’abord examiné finement la distribution des systèmes CRISPR-Cas dans les génomes bactériens. J’ai ensuite analysé les co-occurences des systèmes de réparation de l’ADN et des CRISPR-Cas et démontré l’existence d’associations positives et négatives entre eux. Enfin, je me suis concentrée sur une des associations négatives découvertes pour valider mes prédictions expérimentalement et comprendre les mécanismes moléculaires sous-jacents. Mes travaux permettent de mieux comprendre les interactions complexes entre systèmes de réparation de l’ADN et CRISPR-Cas et démontrent la nécessite d’accommodation des CRISPR-Cas à un contexte génétique pour être sélectionnés et maintenus dans les génomes bactériens. / CRISPR-Cas systems confer bacteria and archea an adaptative immunity against phages and other invading genetic elements playing an important role in bacterial evolution. Only 47% of bacterial genomes harbor a CRISPR-Cas system despite their high rate of horizontal transfer. Hypothesis such as the cost of autoimmu- nity or the trade off between a constitutive or an inducible defense system have been put forward to explain this paradox. I propose that the genetic background plays an important role in the process of maintaining a CRISPR-Cas system af- ter its transfer. More precisely I hypothesized that CRISPR-Cas systems interact with DNA repair pathways. To test this idea, we detected DNA repair pathways and CRISPR-Cas systems in bacterial genomes and studied their co-occurences. We report both positive and negative associations that we interpret as poten- tial antagonistic or synergistic interactions. We then focused on one interaction to validate our result experimentally and explored molecular mechanisms behind those interactions. My findings give insights on the complex interactions between CRISPR-Cas systems and DNA repair mechanisms in bacteria and provide a first example on the necessity of accommodation of CRISPR-Cas systems to a specific genetic context to be selected and maintained in bacterial genomes.

Ce projet de thèse vise à modéliser puis à apporter la preuve de concept d’une thérapie cellulaire et génique autologue de maladies héréditaires du foie par la transplantation d’hépatocytes différenciés à partir des cellules souches pluripotentes induites (iPSC) spécifiques du patient, une fois celles-ci corrigées du défaut génétique. L’hémophilie B (HB) est une maladie héréditaire causée par une mutation du gène F9, codant le facteur IX (FIX) de la coagulation synthétisé dans le foie par les hépatocytes. Des fibroblastes d’un patient porteur de la « mutation royale » ont été reprogrammés en iPSC puis différenciés en hépatocytes. L’étude de l’ARNm du F9 par séquençage haut débit a confirmé la présence d’un site d’épissage anormal codant une protéine tronquée. D’autres iPSC ont été obtenues à partir des cellules d’un second patient HB exprimant un FIX inactif. Après insertion ciblée d’une cassette thérapeutique codant le FIX dans un site génomique sûr à l’aide d’endonucléases artificielles (CRISPR/Cas9), nous avons différencié les iPSC corrigées et non corrigées en hépatocytes (respectivement corr-HB-Heps et HB-Heps) et confirmé une expression plus importante de l’ARNm du F9 et de la protéine FIX dans les corr-HB-Heps. En revanche, nous n’avons pas détecté d’activité du FIX transgénique sans doute à cause d’une différenciation incomplète des hépatocytes. Nous avons alors développé un protocole de différenciation en sphéroïdes permettant une différenciation plus efficace confirmée aux niveaux ARN et protéine FIX. L’analyse de l’activité du FIX produit nous permettra de valider la correction in vitro avant de la valider in vivo en transplantant les corr-HB-Heps dans un modèle de souris F9KO. Finalement, la dernière partie de ce travail a consisté à développer un protocole de différenciation d’iPSC de singe en hépatocytes en vue d’une transplantation autologue dans le foie de l’animal donneur pour valider la faisabilité et la sécurité de cette approche chez le gros animal. / This PhD project aims to model and to bring a proof of concept for autologous cell/gene therapy of inherited liver diseases by transplanting hepatocytes differentiated from patient-specific induced pluripotent stem cells (iPSCs), after correction of the genetic defect. Hemophilia B (HB) is an inherited disease caused by a mutation in the F9 gene encoding clotting factor IX (FIX), synthesized in the liver by hepatocytes. Fibroblasts of a patient with the "royal mutation" were reprogrammed in iPSCs then differentiated into hepatocytes. The study of the F9 mRNA by high-throughput sequencing confirmed the presence of an abnormal splice site leading to a truncated protein explaining hemophilia. Other iPSCs were obtained and characterized from the cells of a second HB patient expressing an inactive FIX. By targeting in these iPSCs the insertion of a therapeutic cassette encoding FIX into a safe harbor site using artificial endonucleases (CRISPR/Cas9), we differentiated the corrected and non-corrected iPSC into hepatocytes. Quantitative analyzes confirmed a higher expression of F9 mRNA and FIX protein in the corrected clones. In contrast, we did not detect transgenic FIX activity due to a lack of post-translational modifications necessary for FIX activity. We then developed a protocol of differentiation in spheroids quantitatively more efficient to produce FIX. Detection of FIX activity will validate our in vitro approach before validation in vivo by transplanting the corrected hepatocytes in a F9KO mouse model. Finally, the last part of this work consisted in the development of a differentiation protocol of nonhuman primate iPSCs into hepatocytes for autologous transplantation into the liver of the donor animal in order to validate the feasibility and the safety of such an approach in the large animal

Numerous mutations contribute to tumorigenesis of cancer cells. For most of them it remains unclear whether they are driver or passenger mutations. A classic knock-out to study their function in cancer cells used to take a lot of effort. The CRISPR/Cas-system can be used as a programmable “genome editing” tool. In this work, oncogenes have been inactivated with the CRISPR/Cas-system. Considering off-targets, Streptococcus pyogenes sgRNAs can be designed for 88% of the known cancer mutations. The activity of 15 sgRNAs, targeting 13 mutations in proto-oncogenes (deletions, insertions and point mutations), has been tested with a RFP-GFP-reporter plasmid. For 13 sgRNAs, activity prediction scores correlated with measured activity. Furthermore, sgRNAs have shown preferential binding to mutated versions of targeted proto-oncogene sequence and did not induce double strand breaks in the wild type sequence. For 10 sgRNAs, the activity against their target sequence has been more than 4 times higher than against the wild type sequence. Most of those sgRNAs target insertions or deletions and fewer target point mutations. Permanent knock-out of three mutated proto-oncogenes NPM1, BRAF and PIK3CA has been achieved with a lentiviral expression of CRISPR/Cas. Accordingly, effects on proliferation and phenotype have been studied. Knock-out of NPM1 c.863_864insTCTG mutation has been studied in heterozygous mutated OCI AML3 cell line. Proliferation was strongly inhibited by the corresponding sgRNA. Cells arrested in G0/1-phase of cell cycle (77%) compared to control cells (56%), although no difference was observed for sub-G1 phase, indicating no induction of apoptosis. Cells treated with NPM1 sgRNA had 88% reduced expression of NPM1 c.863_864insTCTG mRNA as well as less cytoplasmic localization of nucleophosmin as assessed by immunostaining. The activity of sgRNA has been confirmed by deep sequencing, showing a shift of wild type to mutated allele ratio from 51:49 to 68:32. This effect was enhanced by the additional treatment with the NHEJ inhibitor SCR7. A BRAFV600E sgRNA was tested in homozygously mutated melanoma cell lines A-375 and SK MEL-28. No differences were detected in comparison to controls. However, in the CRC cell line RKO, heterozygous for BRAFV600E and PIK3CAH1047R, proliferation was inhibited through sgRNAs against either BRAF or PIK3CA. A combination of both had no synergistic effect on proliferation. Activity and specificity of the sgRNA targeting BRAF were confirmed by deep sequencing, while the PIK3CA sgRNA showed a moderate induction of double strand breaks also in the wild type allele. The relation of wild type to mutated allele of BRAF was changed from 32:68 before treatment to 51:49 afterwards. This effect can be explained by a “re mutation” to the wild type after DSB via HDR with wild type sister chromatid as template. This effect was observed for PIK3CA sgRNA to a lesser extent. In conclusion, these results show the applicability of the CRISPR/Cas-system for the inactivation of mutated proto-oncogenes.:List of tables III List of figures IV List of abbreviations V 1 Introduction 1 1.1 Cancer 1 1.2 Oncogenes 2 1.2.1 Role in cancer 2 1.2.2 Targeted therapies 3 1.2.3 NPM1 5 1.2.4 BRAF 6 1.2.5 PIK3CA 7 1.3 CRISPR/Cas-system 7 1.4 Aim and motivation 10 2 Material and Methods 11 2.1 Design of sgRNAs 11 2.2 Plasmids 11 2.3 Cell culture 12 2.4 FACS analysis 14 2.5 T7 assay 14 2.6 Cell cycle analysis 15 2.7 Immunostaining 15 2.8 Apoptosis assay 16 2.9 Quantification of mutant NPM1 transcripts 16 2.10 Deep sequencing 16 2.11 Statistical Analysis 19 3 Results 20 3.1 Design of sgRNAs targeting oncogenes 20 3.2 Evaluation of sgRNA efficacy and selectivity 23 3.3 Effects of oncogene knock-out in cancer cell lines 27 3.3.1 Targeting NPM1 in AML cells 27 3.3.2 Targeting BRAF in melanoma cells 30 3.3.3 Targeting BRAF and PIK3CA in colorectal carcinoma cells 31 4 Discussion 37 4.1 The design of sgRNAs is possible for most cancer mutations 37 4.2 sgRNAs targeting oncogenes have to be tested 37 4.3 Oncogenes can be knocked out with the CRISPR/Cas-system 37 4.3.1 NPM1 in AML cells 37 4.3.2 BRAF in melanoma cells 38 4.3.3 BRAF and PIK3CA in CRC cells 38 4.4 Advantages and disadvantages to target oncogenes with the CRISPR/Cas-system 40 4.5 Concluding remarks 41 5 Original Article 43 6 Summary 47 7 Zusammenfassung 49 List of references 51 Appendix VIII / In Krebszellen tritt eine Vielzahl von Mutationen auf. Für den Großteil der Mutationen ist ungeklärt, ob es sich um krebsverursachende oder passagere Mutationen handelt. Ein gezieltes Ausschalten (Knock-out) dieser Gene zur Untersuchung ihrer Funktion in Krebszellen war bisher mit großem Aufwand verbunden. Das CRISPR/Cas-System lässt sich als programmierbares „Genome-editing“ Werkzeug einsetzen und wurde in der vorliegenden Arbeit verwendet, um gezielt mutierte Protoonkogene zu inaktivieren. Für 88% der bekannten, in Krebszellen auftretenden Mutationen lassen sich, unter Berücksichtigung von off-targets, Streptococcus pyogenes sgRNAs entwerfen. Mit Hilfe eines RFP-GFP-Reporter-Plasmides wurde die Aktivität von 15 sgRNAs gegen 13 Mutationen (Deletionen, Insertionen und Punktmutationen) in Protoonkogenen überprüft. Für 13 der sgRNAs zeigte sich eine Aktivität, die mit der Vorhersage durch den Algorithmus korrelierte. Außerdem wurde gezeigt, dass die sgRNAs spezifisch genug binden, um zwar bei der mutierten Sequenz eines Protoonkogens, jedoch nicht bei der Wildtyp-Sequenz Doppelstrangbrüche zu erzeugen. Unter den sgRNAs waren 10 mit mehr als 4-fach höherer Aktivität bei komplett übereinstimmender Zielsequenz gegenüber der Wildtyp-Sequenz. Diese spezifischen sgRNAs waren vor allem gegen Insertions- oder Deletionsmutationen gerichtet, einige auch gegen Punktmutationen. Durch permanente, lentivirale Expression von CRISPR/Cas wurden die Effekte eines Knock-out von drei mutierten Protoonkogenen, NPM1, BRAF und PIK3CA, auf das Wachstum und phänotypische Aspekte humaner Krebszelllinien untersucht. Ein Knock-out der NPM1 c.863_864insTCTG Mutation wurde in heterozygot mutierten OCI AML3 Zellen untersucht, es zeigte sich eine starke Proliferationshemmung. In der Zellzyklusanalyse trat ein G0/1-Arrest dieser Zellen (77%) im Vergleich mit Kontroll-Zellen (56%) auf, jedoch keine Unterschiede in der sub-G1-Analyse, sodass nicht von einer vermehrten Apoptose auszugehen ist. Die mit sgRNA behandelten OCI-AML3 Zellen zeigten sowohl eine um 88% verminderte NPM1 c.863_864insTCTG mRNA-Expression als auch verminderte zytoplasmatische Sublokalisation des Nucleophosmins in der Immunfärbung. Die hohe Aktivität der gRNA gegen mutiertes NPM1 wurde durch Deep Sequencing bestätigt, außerdem hat sich das Verhältnis vom Wildtyp- zu mutiertem Allel von 51:49 zu 68:32 verschoben. Dieser Effekt wurde durch Zugabe des NHEJ-Hemmstoffes SCR7 noch verstärkt. Die sgRNA gegen BRAFV600E wurde in den homozygot mutierten Melanom-Zelllinien A-375 und SK-MEL-28 getestet. Bei Proliferationsversuchen zeigten sich keine Unterschiede im Vergleich zu Kontrollzellen. In der kolorektalen Krebszelllinie RKO, die heterozygot BRAFV600E und PIK3CAH1047R ist, zeigte sich bei der Testung von sgRNAs gegen BRAF, PIK3CA und Kombination beider sgRNAs eine Wachstumshemmung. Jedoch lag kein synergistischer Effekt bei sgRNA-Kombination vor. Zudem bestätigten sich Aktivität und Spezifität der sgRNA gegen BRAF im Deep Sequencing, während die sgRNA gegen PIK3CA in mäßigem Umfang Doppelstrangbrüche im Wildtyp-Allel verursachte. Das Verhältnis vom Wildtyp- zu mutiertem BRAF Allel verschob sich von 32:68 ohne sgRNA zu 51:49 nach sgRNA-Behandlung. Eine mögliche Erklärung dieser Beobachtung ist die Rückmutation zum Wildtyp-Allel nach Doppelstrangbruch mit Hilfe homologer Rekombination durch das Wildtyp-Schwesterchromatid. Für PIK3CA konnte dieser Effekt in schwächerem Ausmaß ebenfalls beobachtet werden. Zusammengefasst zeigen diese Ergebnisse, dass das CRISPR/Cas-System zur Inaktivierung mutierter Protoonkogene genutzt werden kann.:List of tables III List of figures IV List of abbreviations V 1 Introduction 1 1.1 Cancer 1 1.2 Oncogenes 2 1.2.1 Role in cancer 2 1.2.2 Targeted therapies 3 1.2.3 NPM1 5 1.2.4 BRAF 6 1.2.5 PIK3CA 7 1.3 CRISPR/Cas-system 7 1.4 Aim and motivation 10 2 Material and Methods 11 2.1 Design of sgRNAs 11 2.2 Plasmids 11 2.3 Cell culture 12 2.4 FACS analysis 14 2.5 T7 assay 14 2.6 Cell cycle analysis 15 2.7 Immunostaining 15 2.8 Apoptosis assay 16 2.9 Quantification of mutant NPM1 transcripts 16 2.10 Deep sequencing 16 2.11 Statistical Analysis 19 3 Results 20 3.1 Design of sgRNAs targeting oncogenes 20 3.2 Evaluation of sgRNA efficacy and selectivity 23 3.3 Effects of oncogene knock-out in cancer cell lines 27 3.3.1 Targeting NPM1 in AML cells 27 3.3.2 Targeting BRAF in melanoma cells 30 3.3.3 Targeting BRAF and PIK3CA in colorectal carcinoma cells 31 4 Discussion 37 4.1 The design of sgRNAs is possible for most cancer mutations 37 4.2 sgRNAs targeting oncogenes have to be tested 37 4.3 Oncogenes can be knocked out with the CRISPR/Cas-system 37 4.3.1 NPM1 in AML cells 37 4.3.2 BRAF in melanoma cells 38 4.3.3 BRAF and PIK3CA in CRC cells 38 4.4 Advantages and disadvantages to target oncogenes with the CRISPR/Cas-system 40 4.5 Concluding remarks 41 5 Original Article 43 6 Summary 47 7 Zusammenfassung 49 List of references 51 Appendix VIII

The human genome encodes information that instructs human development, physiology, medicine, and evolution. Massive amount of genomic data has generated an ever-growing pool of hypothesis. Genome editing, broadly defined as targeted changes to the genome, posits to deliver the promise of genomic revolution to transform basic science and personalized medicine. This thesis aims to contribute to this scientific endeavor with a particular focus on the development of effective human genome engineering tools.

Developing targeted genome regulation approaches holds much promise for accelerating trait discovery and development in agricultural biotechnology. Clustered Regularly Interspaced Palindromic Repeats (CRISPRs)/CRISPR associated (Cas) system provides bacteria and archaea with an adaptive molecular immunity mechanism against invading nucleic acids through phages and conjugative plasmids. The type II CRISPR/Cas system has been adapted for genome editing purposes across a variety of cell types and organisms. Recently, the catalytically inactive Cas9 (dCas9) protein combined with guide RNAs (gRNAs) were used as a DNA-targeting platform to modulate the expression patterns in bacterial, yeast and human cells. Here, we employed this DNA-targeting system for targeted transcriptional regulation in planta by developing chimeric dCas9-based activators and repressors. For example, we fused to the C-terminus of dCas9 with the activation domains of EDLL and TAL effectors, respectively, to generate transcriptional activators, and the SRDX repression domain to generate transcriptional repressor. Our data demonstrate that the dCas9:EDLL and dCas9:TAD activators, guided by gRNAs complementary to promoter elements, induce strong transcriptional activation on episomal targets in plant cells. Moreover, our data suggest that the dCas9:SRDX repressor and the dCas9:EDLL and dCas9:TAD activators are capable of markedly repressing or activating, respectively, the transcription of an endogenous genomic target. Our data indicate that the CRISPR/dCas9:TFs DNA targeting system can be used in plants as a functional genomic tool and for biotechnological applications.

Un objectif important de la biologie du développement est de comprendre la base cellulaire de la morphogenèse, notamment le destin des différentes cellules souches dans l'embryon en développement. En décrivant la morphogenèse des espèces représentatives des différents groupes ou embranchements, on fournit une base solide pour comparer les processus similaires dans les différents organismes, et pour tirer des conclusions sur l'évolution des plans d'organisation des animaux. À cette fin, les scientifiques développent des techniques chez des espèces sélectionnées - celles-ci comprennent la manipulation de la fonction des gènes, le marquage et le suivi des populations distinctes de cellules, et l'imagerie in vivo.Dans cette thèse, je présente mes efforts pour améliorer la boîte à outils génomique du coléoptère Tribolium castaneum. J'utilise une technique d'édition du génome récemment découverte, CRISPR/Cas, pour introduire des modifications précises dans le génome de Tribolium, y compris l'introduction de grands fragments par recombinaison homologue. Je montre que l'expression de tous les composants de CRISPR/Cas est induite de manière efficace par des promoteurs endogènes de Tribolium. En me basant sur ces résultats, je développe VALCYRIE, une approche transgénique pourmarquer des clones de cellules uniques dans l'embryon de Tribolium.Ce travail me permet d'enquêter sur le devenir des cellules dans la région terminale postérieure du blastoderme de Tribolium. En utilisant une approche de marquage clonal, je montre que ces cellules donnent naissance à des cellules germinales primordiales et aumésoderme postérieur. Avec la même méthode, je montre que l'intestin postérieur de Tribolium se développe à partir d'une population distincte de cellules au début de la bandelette germinale. En utilisant une technique de microscopie timelapse haute résolution, je décris le sort de cellules individuelles dans le blastoderme de Triboliumet je fais la lumière sur le plan de développement des segments gnathal et thoracique de l'embryon à ce stade. En outre, je montre que l'amnios de Tribolium augmente considérablement au cours du développement précoce. En me basant sur des données d'imagerie, je passe en revue la cartographie du devenir de la bandelette germinale en ce qui concerne l'amnios et l'ectoderme embryonnaire / An important objective of developmental biology is to understand the cellular basis of morphogenesis, including fates of distinct progenitor cells in the developing embryo. Describing morphogenesis in representative species of different groups or phyla provides a solid basis for comparing similar processes in different organisms, and for drawing conclusions about the evolution of animal body plans. To this end, scientists develop techniques in selected species - these include manipulation of gene function, marking and tracking of distinct populations of cells, and in vivo imaging.In this thesis, I present my efforts to enhance the genomic toolkit of the beetle Tribolium castaneum. I use a recently discovered genome editing technique, CRISPR/Cas, to introduce precise alterations in the Tribolium genome, including the introduction of large fragments by homologous recombination. I show that all CRISPR/Cas components are driven efficiently by endogenous Tribolium promoters. Based on these results, I develop VALCYRIE, a transgenic approach to mark single cell clones in developing Tribolium embryos.This work allows me to investigate the fates of the cells in the posterior terminal region of the Tribolium blastoderm. Using a clonal labeling approach, I demonstrate that these cells give rise to primordial germ cells and posterior mesoderm. With the same technique, I demonstrate that the hindgut of Tribolium develops from a distinct cell population in the early germband. Using high-resolution time lapse microscopy, I describe the fates of single cells in the Triboliumblastodermand shed new light on the fatemap of gnathal and thoracic segments of the embryo at this stage. Furthermore, Ishow that the amnion of Tribolium expands greatly during early development. Based on imaging data, I review the fate map of the early germ band with regard to the amnion and the embryonic ectoderm

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Neisseria meningitidis, a commensal β-proteobacterium residing exclusively in the human nasopharynx, is a leading cause of sepsis and epidemic meningitis worldwide. While comparative genome analysis was able to define hyperinvasive lineages that are responsible for most of the cases of invasive meningococcal disease (IMD), the genetic basis of their virulence remains unclear. Recent studies demonstrate that the type II C CRISPR/Cas system of meningococci is associated with carriage and less invasive lineages. CRISPR/Cas, an adaptive defence system against foreign DNA, was shown to be involved in gene regulation in Francisella novicida. This study shows that knockout strains of N. meningitidis lacking the Cas9 protein are impaired in the adhesion to human nasopharyngeal cells in a strain-dependant manner, which constitutes a central step in the pathogenesis of IMD. Consequently, this study indicates that the meningococcal CRISPR/Cas system fulfils functions beyond the defence of foreign DNA and is involved in the regulation of meningococcal virulence. / Neisseria meningitidis, ein ß-Proteobakterium, welches als Kommensale ausschließlich den humanen Nasopharynx besiedelt, ist ein weltweit führender Verursacher von Sepsis und epidemischer Meningitis. Auch wenn mittels vergleichender Genomanalysen hyperinvasive Stämme definiert werden konnten, welche für die meisten Fälle von invasiven Meningokokkenerkrankungen verantwortlich sind, bleibt die genetische Grundlage ihrer Virulenz ungeklärt. In vorangegangenen Studien konnte gezeigt werden, dass das Typ II-C CRISPR/Cas-System der Meningokokken assoziiert ist mit Trägerstämmen. CRISPR/Cas ist ein adaptives Verteidigungssystem der Bakterien gegen fremde DNA, das darüber hinaus Aufgaben in der Genregulation von Francisella novicida erfüllt. Diese Arbeit zeigt, dass knockout Stämme von N. meningitidis, denen das Cas9-Protein fehlt, in Abhängigkeit von ihrem genetischen Hintergrund die Fähigkeit verlieren an Zellen des menschlichen Nasopharynx zu adhärieren. Die Adhäsion an den Wirtszellen stellt einen zentralen Schritt in der Pathogenese der invasiven Meningokokkenerkrankungen dar. Die Ergebnisse dieser Arbeit deuten darauf hin, dass das CRISPR/Cas-System in Meningokokken neben seiner Funktion als bakterielles Immunsystem an der Regulation der bakteriellen Virulenz beteiligt sein könnte.

Die Rolle von Connexinen und Gap Junction-vermittelter Kommunikation in pluripotenten Stammzellen sowie der frühen Embryonalentwicklung sind bis heute nicht vollständig aufgeklärt. Mutationen in humanen Connexinen verursachen eine Vielzahl von Krankheiten. Connexin-defiziente iPS Zellen stellen eine gute Basis für die Erforschung der Rolle von Connexinen während der Embryonalentwicklung und bei der Krankheitsentstehung dar. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, das CRISPR/Cas9-System in pluripotenten Stammzellen erfolgreich anzuwenden und ein Protokoll zur Erstellung verschiedener Cx43-Defektmutanten zu entwerfen. Nach der Etablierung der CRSIPR/Cas9-Methode in HEK293T-Zellen konnte in der vorliegenden Arbeit darüber hinaus erfolgreich eine Cx43-Defizienz in FSiPS-Zellen erzeugt werden. Weiterhin wurden mehrere Cx43-Mutanten geschaffen und initial auf Pluripotenzmarker und ihr Differenzierungspotential untersucht. Diese Arbeit bildet die Basis für weitere Untersuchungen des Cx43 in iPS-Zellklonen und davon abgeleiteten Zelltypen sowie artifiziellen 3D-Gewebekulturen. Darüber hinaus bildet sie die Grundlage für die Bildung weiterer Connexin-Defektmutanten sowie von iPS-Zellen mit krankheitsrelevanten Mutationen. / The roles of connexins and gap junction-mediated communication in pluripotent stem cells and early embryonic development have not been fully elucidated to date. Mutations in human connexins cause a variety of diseases. Connexin-deficient iPS cells provide a good basis for studying the role of connexins during embryonic development and in disease development. The aim of the present work was to successfully apply the CRISPR/Cas9 system in pluripotent stem cells and to design a protocol to generate different Cx43 defective mutants. Furthermore, after establishing the CRSIPR/Cas9 method in HEK293T cells, a Cx43 deficiency in FSiPS cells was successfully generated. Furthermore, several Cx43 mutants were created and initially screened for pluripotency markers and their differentiation potential. This work forms the basis for further studies of Cx43 in iPS cell clones and derived cell types as well as artificial 3D tissue cultures. Furthermore, it forms the basis for the generation of further connexin defect mutants as well as iPS cells with disease-relevant mutations.