Universiẗat, Diss., 2001--Mainz.

Universiẗat, Diss., 2001--Jena.

Gene expression and transfer of the genetic information to the next generation forms the basis of cellular life. These processes crucially rely on DNA, thus the preservation, transcription and translation of DNA is of fundamental importance for any living being. The general transcription factor TFIIH is a ten subunit protein complex, which consists of two subcomplexes: XPB, p62, p52, p44, p34, and p8 constitute the TFIIH core, CDK7, CyclinH, and MAT1 constitute the CAK. These two subcomplexes are connected via XPD. TFIIH is a crucial factor involved in both, DNA repair and transcription. The central role of TFIIH is underlined by three severe disorders linked to failure of TFIIH in these processes: xeroderma pigmentosum, Cockayne syndrome, and trichothiodystrophy. Only limited structural and functional data of TFIIH are available so far. Here, the model organism Chaetomium thermophilum was utilized with the aim to structurally and functionally characterize TFIIH. By combining the expression and purification of single TFIIH subunits with the co-expression and co-purification of dual complexes, a unique and powerful modular system of the TFIIH core subunits could be established, encompassing all proteins in high quality and fully functional. This system permits the step-wise assembly of TFIIH core, thereby making it possible to assess the influence of the intricate interaction network within TFIIH core on the overall enzymatic activities of TFIIH, which has not been possible so far. Utilizing the single subunits and dual complexes, a detailed interaction network of TFIIH core was established, revealing the crucial role of the p34 subunit as a central scaffold of TFIIH by linking the two proteins p44 and p52. Our studies also suggest that p62 constitutes the central interface of TFIIH to the environment rather than acting as a scaffold. TFIIH core complexes were assembled and investigated via electron microscopy. Preliminary data indicate that TFIIH adopts different conformational states, which are important to fulfill its functions in transcription and DNA repair. Additionally, a shortened construct of p62 was used to develop an easy-to-use, low cost strategy to overcome the crystallographic phase problem via cesium derivatization. / Die Expression von Genen und die Weitergabe des Erbguts an die nächste Generation bilden die Grundlage jeden Lebens. Bei diesen Vorgängen spielt die DNA eine entscheidende Rolle. Deshalb sind der Erhalt, die Transkription und die Translation der DNA von fundamentaler Bedeutung für alle Lebewesen. Der generelle Transkriptionsfaktor TFIIH ist ein Multi-Proteinkomplex und umfasst insgesamt zehn Untereinheiten. TFIIH kann in zwei Teilkomplexe unterteilt werden: XPB, p62, p52, p44, p34 und p8 bilden den TFIIH Core Komplex, CDK7, CyclinH und MAT1 bilden den CAK Komplex. Diese beiden Teilkomplexe werden durch XPD verbunden. TFIIH spielt eine entscheidende Rolle sowohl in der DNA Reparatur, als auch in der Transkription. Diese zentrale Rolle wird durch das Auftreten dreier schwerer Krankheiten deutlich, die mit dem Ausfall von TFIIH bei diesen Aufgaben in Verbindung stehen: Xeroderma pigmentosum, Cockayne-Syndrom und Trichothiodystrophie. Daten bezüglich der Struktur und Funktion von TFIIH stehen bisher nur in begrenztem Umfang zur Verfügung. In dieser Arbeit kam der Modellorganismus Chaetomium thermophilum zum Einsatz, mit dem Ziel die Struktur und Funktion von TFIIH näher zu beleuchten. Durch die Kombination der Expression und Aufreinigung einzelner TFIIH Untereinheiten mit der Koexpression und Koaufreinigung von dualen Komplexen konnte ein einmaliges und leistungsfähiges modulares System entwickelt werden, das die Darstellung aller Untereinheiten in hoher Qualität und voller Funktionalität erlaubt. Basierend auf diesen Ergebnissen wurde die schrittweise modulare Zusammensetzung von TFIIH Core ermöglicht, was es nun erlaubt den Einfluss der komplexen Wechselwirkungen innerhalb von TFIIH Core auf die enzymatischen Aktivitäten im Ganzen zu untersuchen, was bisher nicht möglich war. Mit Hilfe der Einzelproteine und dualen Komplexe wurde ein detailliertes Netzwerk aus Wechselwirkungen innerhalb TFIIH Core etabliert, welches die entscheidende Rolle der p34 Untereinheit als zentrales Gerüst für TFIIH offenbarte, da sie die Verbindung zwischen p44 und p52 herstellt. Unsere Untersuchungen deuten zudem darauf hin, dass p62 die zentrale Schnittstelle zur Umgebung von TFIIH darstellt, anstatt als Gerüst zu fungieren. Des Weiteren gelang die Assemblierung von TFIIH Core Komplexen, die mittels Elektronenmikroskopie untersucht wurden. Die Strukturen, die daraus hervorgingen, legen das Vorhandensein verschiedener TFIIH Konformationen nahe, welche vermutlich bei den verschiedenen Aufgaben von TFIIH in der Transkription und DNA Reparatur zum Tragen kommen. Außerdem wurde mit Hilfe eines gekürzten p62 Konstrukts eine einfach zu handhabende, kostengünstige Strategie zur Lösung des kristallografischen Phasenproblems mittels Cäsiumderivatisierung entwickelt.

Trotz erheblicher Fortschritte auf dem Gebiet der Strahlentherapie ist es bis heute noch nicht möglich, die Strahlenempfindlichkeit eines Individuums bereits vor Therapiebeginn vorherzusagen. Diese Tatsache führt dazu, dass es einerseits bei einem Teil der Patienten zu starken Nebenwirkungen infolge einer Bestrahlung kommt und andererseits die Therapie oftmals nicht in ausreichendem Maße anspricht. Die Entwicklung eines verlässlichen prädiktiven Tests stellt daher ein wichtiges Ziel der strahlentherapeutischen Forschung dar und stand auch im Zentrum dieser Arbeit. Methodisch kam dabei der Koloniebildungstest sowie die fluoreszenzmikroskopische Detektion und Bildanalyse des Histons gamma-H2AX, einem relativ neuen Marker für DNA-Doppelstrangbrüche, zum Einsatz. Untersucht wurde eine sehr heterogene Gruppe aus 5 Fibroblasten- sowie 5 Tumorzelllinien. Unter den Fibroblastenzelllinien befanden sich 2 normale Hautfibroblasten, 2 Hautfibroblasten von Brustkrebspatientinnen mit überdurchschnittlich starken Hautreaktionen nach der Bestrahlung sowie eine Zelllinie mit bekannter AT-Mutation. An Tumorzelllinien kam ein Adenokarzinom der Brust, ein Malignes Melanom, ein Fibrosarkom und zwei isogene aber unterschiedlich strahlensensible Glioblastomzelllinien, die sich in Hinblick auf ihre Proteinkinasenaktivitäten unterscheiden, zum Einsatz. Durch den Koloniebildungstest konnte eine große Bandbreite der klonogenen Überlebensraten erkannt werden, wobei Zelllinien mit Proteinkinasedefekten die größte Empfindlichkeit gegenüber ionisierender Strahlung aufwiesen. Der Verlauf des Histons gamma-H2AX in Hinblick auf die Induktion, die Abbaukinetiken, die verbliebenen Reste nach 18 Stunden Reparaturdauer sowie die dosisabhängigen Kurvensteigungen zeigten jeweils einen charakteristischen Verlauf für jede untersuchte Zelllinie. Interessanterweise war die Hintergrundfluoreszenz bei Tumorzelllinien signifikant höher als diejenige bei Fibroblastenzelllinien. Die strahlensensible Glioblastomzelllinie mit Proteinkinasedefekten zeigte eine deutlich protrahierte Phosphorylierung des Histons H2AX. Zwischen den Überlebensraten der Koloniebildungstests und den Ergebnissen der gamma-H2AX-Detektion wurden keine Korrelationen gefunden. Wie in dieser Arbeit gezeigt werden konnte, stellt der Verlauf des Histons gamma-H2AX einen stark zelllinienabhängigen Parameter dar. Das Histon gamma-H2AX besitzt dadurch ein hohes Potential um individuelle Mechanismen einer Zelllinie nach Einwirkung äußerer Noxen, wie beispielsweise ionisierende Strahlung, zu untersuchen. Es bietet interessante Ansatzpunkte zur Beurteilung neuer Therapieregimes als auch zur Entwicklung und Bewertung strahlenmodulierender Chemotherapeutika. / Despite of the efforts of modern radiotherapy, about 5-10% of tumor patients develop severe side effects of normal tissue after radiotherapy treatment. Therefore, there is a growing interest to establish a reliable method to predict a normal tissue’s radiosensitivity. On the other hand, some tumors did not respond adequately to the standard irradiation protocols. The development of a predictive test for radiotherapy is therefore one of the important goals of radiation research. The present study used two different methods to evaluate cellular reactions after irradiation – the colony forming test and digital image analysis of histone gamma-H2AX, a marker of DNA double strand breaks. Ten different cell lines derived from normal and malignant tissues were examined. Among them were 2 normal skin fibroblast lines, 2 fibroblast cell lines derived from the skin biopsies of tumor patients with adverse early skin-reactions to radiotherapy, and one fibroblast cell line with a known mutation of the AT gene. The five examined tumor cell lines included a fibrosarcoma (HT 1080), a breast carcinoma (MCF7), a melanoma (Colo-800) and two isogenic glioblastoma (MO59J and MO59K) cell lines. The results of the colony forming test for the 10 cell lines studied showed a wide range of the SF2-values (surviving fraction at 2 Gray). Cell lines with defects in the protein kinases, MO59J and AT, showed the lowest surviving fractions, 0.06 and 0.17, respectively. Interestingly, the background level of gamma-H2AX was significantly higher in malignant cell lines compared with non-malignant ones. We found that the glioblastoma cell line MO59J which is deficient in the protein kinases DNA-PK and ATM showed a delayed phosphorylation of H2AX. Comparison between the parameters of the colony-forming test and of histone gamma-H2AX revealed no correlation between the SF2-values and the induction and disappearance of histone gamma-H2AX for the cell sample tested. However, the induction, the kinetics of disappearance, residual and background parameters of histone gamma-H2AX showed a strong cell line specific behaviour. Our results suggest that histone gamma-H2AX seems to be a very useful cell-type-specific marker for DNA double-strand breaks which could be used as a patient specific molecular marker to assess the effect of radiosensitizers or different radiotherapy schedules in order to optimize the tumor treatment.

Mutationen im humanen DNA Mismatch-Reparatur (MMR) Gens Mlh1 sind mit dem erblichen, nicht-polypösen Kolonkarzinom (Lynch Syndrom, HNPCC) und einem signifikanten Anteil sporadischer kolorektaler Tumore assoziiert. Zudem konnten MMR Defekte in sporadischen und erblichen Lymphom Erkrankungen beschrieben werden. In Zellen resultiert die Inaktivierung des Mlh1 Gens in der Akkumulation von somatischen Mutationen im Genom und einer erhöhten Resistenz gegenüber den genotoxischen Effekten einer Vielzahl von DNA schädigenden Agenzien. Mäuse, die ein Null Allel für das MMR Gen Mlh1 tragen zeigen einen starken Tumorprädispositions Phänotyp. Sie entwickeln vorrangig B- und T-Zell Lymphome und mit geringerer Haufigkeit gastrointestinale Tumore. Zusätzlich sind Mlh1-/- Mäuse durch einen meiotischen Phänotyp charakterisiert, der zu Sterilitäten in beiden Geschlechtern führt. Um die Effekte von Mlh1 missense Mutationen auf die Tumoranfälligkeit zu untersuchen, erzeugten wir eine Mauslinie, die die häufig in HNPCC Patienten beschriebene MLH1G67R Mutation tragen, die in einer der ATP Bindungs-Domänen von MLH1 lokalisiert ist. Auch wenn die MLH1G67R Mutation in homozygot mutanten Mäusen in einer DNA Reparatur Defizienz resultierte hatte sie keinen Effekt auf die MMR vermittelte zelluläre Antwort auf DNA Schäden. Hierzu gehörte die apoptotische Antwort von Epithelzellen der intestinalen Mucosa auf Cisplatin, die in Mlh1-/- Mäusen defektiv jedoch in Mlh1G67R/G67R Mäusen normal ausfiel. Mlh1G67R/G67R mutante Mäuse zeigten wie Mlh1-/- Tiere einen starken Tumorprädispositions Phänotyp. Sie entwickelten jedoch im Vergleich zu Mlh1-/- Tieren signifikant weniger gastrointestinale Tumore, was darauf hinweist, dass Mlh1 missense Mutationen die Tumor supprimierende MMR Funktion in einer Gewebs-spezifischen Weise beeinflussen können. Darüber hinaus sind Mlh1G67R/G67R Mäuse, aufgrund der fehlenden Bindungsfähigkeit des MLH1G67R Proteins an die meiotischen Chromosomen im Pachytän Stadium, steril. Dies zeigt, dass die ATPase Aktivität von MLH1 für die Fertilität in Säugern essentiell ist. Diese Untersuchungen belegen, dass die Mlh1G67R Mutation die biologischen MLH1 Funktionen differentiell mit einem eindeutigen Phänotyp beeinflusst. Um die Rolle von MLH1 für die Lymphomagenese detaillierter untersuchen zu können, generierten wir ein neues Mausmodell mit einem konditionellen Mlh1 Allel (Mlh1flox/flox). Das Einkreuzen von transgenen EIIa-Cre Mausen in die Mlh1flox/flox Mauslinie führte zur konstitutiven Inaktivierung von MLH1. Die resultierende Mlh1Δex4/Δex4 Mauslinie zeichnete sich durch MMR Defizienz und einen zu Mlh1-/- Tieren vergleichbaren Tumorprädispositions Phänotyp aus. Zur T-Zell spezifischen MMR Inaktivierung kombinierten wir das Mlh1flox/flox Allel mit dem Lck-Cre Transgen. In den resultierenden Mlh1TΔex4/TΔex4 Mäusen ist die MLH1 Inaktivierung auf doppelt positive und einzel positive Thymozyten und naïve periphere TZellen beschränkt. Die Entwicklung von T-Zell Lymphomen in Mlh1TΔex4/TΔex4 Mäusen ist im Vergleich zu Mlh1-/- Mäusen signifikant reduziert, was eine wichtige, Lymphom supprimierende MMR Funktion in frühen Stadien der T-Zell Entwicklung oder in lymphoiden Vorläuferzellen impliziert. / Mutations in the human DNA mismatch repair (MMR) gene Mlh1 are associated with hereditary nonpolyposis colorectal cancer (Lynch syndrome, HNPCC) and a significant proportion of sporadic colorectal cancer. Furthermore, MMR defects have also been observed in sporadic and hereditary lymphoid malignancies. In cells the inactivation of MLH1 results in the accumulation of somatic mutations in the genome and an increased resistance to the genotoxic effects of a variety of DNA damaging agents. Mice carrying a null allele for the MMR gene Mlh1 show a strong tumor predisposition phenotype. They are preferentially prone to the development of lymphomas of B- and T-cell origin and to a lesser extent gastrointestinal tumors. Additionally Mlh1-/- mice are characterized by a meiotic phenotype leading to male and female sterility. To study the effect of Mlh1 missense mutations on cancer susceptibility, we generated a mouse line carrying the recurrent MLH1G67R mutation that is located in one of the ATP-binding domains of MLH1. Although the MLH1G67R mutation resulted in DNA repair deficiency in homozygous mutant mice, it did not affect the MMR-mediated cellular response to DNA damage, including the apoptotic response of epithelial cells in the intestinal mucosa to cisplatin, which was defective in Mlh1-/- mice but remained normal in Mlh1G67R/G67R mice. Similar to Mlh1-/- mice, Mlh1G67R/G67R mutant mice displayed a strong cancer predisposition phenotype. However, in contrast to Mlh1-/- mice, Mlh1G67R/G67R mutant mice developed significantly fewer intestinal tumors, indicating that Mlh1 missense mutations can affect MMR tumor suppressor functions in a tissue-specific manner. In addition, Mlh1G67R/G67R mice were sterile because of the inability of the mutant Mlh1G67R protein to interact with meiotic chromosomes at pachynema, demonstrating that the ATPase activity of MLH1 is essential for fertility in mammals. These studies demonstrate that the Mlh1G67R mutation differentially affects the biological functions associated with MLH1 with distinct phenotypic effects. To study the role of MLH1 for lymphomagenesis in more detail, we generated a new mouse model carrying a conditional Mlh1 allele (Mlh1flox/flox). Mating of these mice with EIIa-Cre recombinase transgenic mice allowed the constitutive inactivation of MLH1 and the resulting Mlh1Δex4/Δex4 mouse line displays complete MMR deficiency and a cancer predisposition phenotype similar to Mlh1-/- mice. For T-cell specific MMR inactivation we combined the Mlh1flox/flox allele with the Lck-Cre Transgene. In the resulting Mlh1TΔex4/TΔex4 mice, MLH1 inactivation is limited to double positive and single positive thymocytes and naïve peripheral Tcells. The development of T-cell lymphomas in Mlh1TΔex4/TΔex4 mice is significantly reduced compared to Mlh1-/- mice implicating that MMR functions either at very early stages during Tcell development or even earlier in lymphoid precursor cells to suppress lymphomagenesis.

Fanconi Anämie (FA) ist eine autosomal rezessive, im Falle der Untergruppe FA-B X-chromosomale Erbkrankheit, die mit chromosomaler und genomischer Instabilität verbunden ist und sich durch große phänotypische und genetische Heterogenität auszeichnet. Symptomatisch sind Knochenmarksversagen, eine Vielfalt angeborener Fehlbildungen, die weit überdurchschnittliche Disposition für akute myeloische Leukämie (AML), Plattenepithelkarzinome (SCC) sowie eine zelluläre Hypersensitivität gegenüber DNA Doppelstrangvernetzenden Substanzen. FA wird kompliziert durch ein progressives Knochenmarksversagen. Die FA Proteine sind essentiell für die interstrand crosslink (ICL) repair sowie an anderen DNA Reparatursystemen, beteiligt. Bisher wurden hauptsächlich Regulationsmechanismen untersucht, die die FA Proteine betreffen. Die Regulation der Transkripte war bisher nahezu unbekannt. In der vorliegenden Arbeit wurde die transkriptionelle Regulation der sogenannten FA core complex Gene untersucht. Dabei handelt es sich um acht Gene, deren Produkte im Falle eines DNA Schadens den ersten Proteinkomplex des FA/BRCA Signalweges bilden. Für diese acht Gene wurden in dieser Arbeit die Promotoren identifiziert und ihr Aktivierungspotential charakterisiert. Dabei stellte sich heraus, dass diese ein starkes Potential für die Transkriptionsinitiierung besitzen. Des Weiteren zeigten sich Gemeinsamkeiten in Form von Sequenzmotiven sowie Transkriptionsfaktorbindestellen, die in allen core complex Genen nahezu identisch waren. Durch diese Analysen ergaben sich Hinweise, dass die untersuchten Gene durch Mitglieder des JAK/ STAT (STAT1/4) sowie des TGF-b Signalwegs (SMAD1/4) reguliert werden. Funktionelle Untersuchungen mittels siRNA sowie Fibroblastenzelllinen, die biallelische FANCA Mutationen trugen, bestätigten diese Verbindungen. So hatte der knockdown der entsprechenden Transkriptionsfaktoren einen reduzierenden Einfluss auf die Transkriptmenge der core complex Gene. FANCA-mutierte Zelllinen weisen reduzierte mRNAs von STAT und SMAD auf. Darüber hinaus fanden sich signifikante Änderungen der Transkriptmenge in 112 verschiedenen Mitgliedern dieser Signalwege in den FA-A Zellinien. Eines dieser Mitglieder, IRF1, zeigte fast identische Ergebnisse wie sie bei STAT1/4 sowie SMAD1/4 beobachtet werden konnten. Die vorliegende Arbeit trägt dazu bei, die transkriptionelle Regulation der core complex Gene besser zu verstehen. Die auffälligen Gemeinsamkeiten ihrer Regulation liefern neue Argumente für eine Koevolution dieser Gene. / Fanconi anemia (FA) is an autosomal recessive, in the case of subgroup B X-linked, disease that is characterized by chromosomal and genomic instability. FA reveals remarkable phenotypic and genetic heterogeneity. Clinical symptoms include the variable presence of typical congenital malformations, progressive bone marrow failure, and a pronounced predisposition for the occurrence of malignancies such as acute myelogenous leukemia (AML) and squamous cell carcinoma (SCC). The FA proteins are essential for the repair of DNA-interstrand crosslinks and are members of the DNA damage response network. This is why FA cells are hypersensitive to agents inducing doublestrand lesions. In the past, a major topic of research was the interaction of the FA proteins. In this thesis work, transcriptional regulation of the FA core complex genes was investigated. These genes include eight members that form, in response to DNA damage, the first protein complex acting in the FA/BRCA pathway. As part of this thesis, the promoters of the FA core complex genes were identified, and their potential for transcriptional activation was studied. All of them revealed strong power for transcriptional activation. There were marked similarities among them including the presence of two shared sequence motifs, of transcription factor binding sites and in the presence of repressor elements defining them as bipartite in their nature. These analyses provided clues that these genes are regulated, in part, by components of theJAK/ STAT (STAT1/4) and the TGF-ß signaling pathways. Functional studies including knockdown experiments or using fibroblast lines with biallelic mutations in FANCA confirmed these connections. Down-regulation of the designated transcription factors decreased the transcript levels of the FA core complex genes. Likewise, FANCA-mutant cell lines showed reduced amounts of mRNA of STAT and SMAD. Moreover, there were significant changes in the expression of 112 members of the corresponding signaling pathways in FA-A cell lines. The present work contributes to a better overall understanding of the transcriptional regulation of the FA core complex genes. Shared similarities provide arguments in favor of a co-evolution of these genes.

Das menschliche MHS2 Gen ist eine sehr gut charakterisierte Komponente des Mismatch-Reparatur-Systems (MMR) und häufig mit der HNPCC Erkrankung assoziiert. Der Mechanismus über den MSH2 an der Karzinomentwicklung beteiligt ist, sind Defekte in der DNA-Reparatur. Es konnte gezeigt werden, dass Mutationen in den kodierenden Regionen dieses Gens direkt in die Mikrosatelliteninstabilität involviert sind. Generell ist MSH2 ein Teil des postreplikativen Reparatursystems der Zellen, und schützt so vor der Akkumulation von Mutationen. Dadurch wird die genetische Stabilität und Integrität gewährleistet. Ein anderer Teil der zellulären Krebsabwehr ist das p53 Tumorsuppressorgen. Ein möglicher DNA Schaden, der in der Lage ist, p53 zu aktivieren, ist UV-Licht. Eine weitere gut charakterisierte Komponente der zellulären UV Reaktion ist der Transkriptionsfaktor c-Jun. Ziel der Arbeit war es die Regulation und Signalfunktion von MSH2 näher zu charakterisieren. Dazu wurde der Promotor des Gens in ein Luziferase Promotorgenkonstrukt kloniert. Dieses Konstrukt wurde in menschliche Keratinozyten transfiziert, die nachfolgend mit UV bestrahlt wurden. Es konnte eine zeit- und dosisabhängige Hochregulation von MSH2 gezeigt werden. Diese Transkriptionserhöhung wurde von p53 initiiert, denn durch eine gezielte Mutation der p53-Bindungsstelle im MSH2 Promotor war dieser Effekt vollkommen aufgehoben. Interessanterweise war dieser Effekt von einem zusätzlichen Faktor abhängig, ohne den keine Hochregulation erkennbar war. Verantwortlich hierfür war der Transkriptionsfaktor c-Jun. Dadurch konnte eine funktionelle Interaktion von p53 und c-Jun in der transkriptionellen Aktivierung von hMSH2 gezeigt werden. Dieser zeit- und dosisabhängige Effekt war sowohl auf RNA als auch auf Proteinebene nachvollziehbar. Der größte Anstieg war bei 50 J/m2 zu verzeichnen, wohin gegen bei Verwendung von 75 J/m2 die Transkriptmenge geringer wurde, um bei 100 J/m2 erneut anzusteigen. Um diesen erneuten Anstieg des Proteins näher zu beschreiben wurden bei den stark bestrahlten Zellen TUNEL-Untersuchungen durchgeführt. Hierbei zeigte sich eine positive Korrelation zwischen der Menge an MSH2 Protein und an TUNEL-positiven apoptotischen Zellen. Um weiter zu zeigen, dass der zweite Anstieg des Proteins nicht mit einer Reparaturfunktion verbunden ist, wurde ein biochemisch basierter Test durchgeführt, welcher die Reparaturkapazität semiquantitativ beschreibt. Dabei konnte klar gezeigt werden, dass die mit 100 J/m2 bestrahlten Zellen keine Reparaturfunktion mehr erfüllen. FACS-Analysen und Zellfärbungen gegen Annexin V und mit Propidiumiodid bestätigten die stattfindende Apoptose in den Zellen. Eine weitere Komponente des MMR-Systems ist MSH6. MSH6 bildet mit MSH2 ein Dimer, welches den Fehler in der DNA erkennt und das weitere Reparaturprogramm einleitet. Die Expression dieses Proteins konnte nur bis zu einer Dosis von 50-75 J/m2 UV nachgewiesen werden. Im Gegensatz zu MSH2 war MSH6 nicht in 100 J/m2 bestrahlten Keratinozyten detektierbar. Um über die Lokalisation dieser Proteine mehr zu erfahren wurden Immunfärbungen gegen MSH2 durchgeführt. Es zeigte sich eine Translokation des Proteins vom Kern in das Zytoplasma in Korrelation zum zunehmenden DNA-Schaden durch höhere Dosen an UV-Licht. Dies stellt eine mögliche Verbindung zwischen dem Mismatch-Reparatursystem und apoptotischen Signalwegen dar. / MSH2 is a well-characterized component of the DNA mismatch repair system (MMR) frequently associated with Hereditary Nonpolyposis Colorectal Cancer (HNPCC). The mechanism of MSH2-induced cancer is via defects in DNA mismatch repair. Mutations in the coding region of the human gene (hMSH2) have been shown to be directly involved in microsatellite instability in HNPCC. The MSH2 gene is part of the post-replicative mismatch repair system that prevents the accumulation of spontaneous mutations, and thereby ensures the integrity and stability of the genome. Another component of the cancer prevention machinery is the p53 tumor suppressor. A relevant stress that activates p53 is UV-light. Another well known component of the mammalian UV response is the transcription factor c-Jun. To study the stress regulation and signaling function of hMSH2, we cloned the promoter region of hMSH2 in a luciferase reportergene construct. This construct was transfected in human keratinocytes. The cells were then irradiated with UV light. A time and dosage dependent upregulation of hMSH2 was seen. The transcription of the human mismatch repair gene was activated by p53. This activation was lost upon mutation of the p53 binding site. Interestingly this upregulation critically depends on functional interaction of p53 with c-Jun in the transcriptional control of the hMSH2 promoter. The same effect was seen in analyses of the endogenous hMSH2 gene on the RNA level as well as on the protein level. The highest hMSH2-expression was seen at 50 J/m2. At 75 J/m2 the hMSH2 expression level decreased. Surprisingly, at 100 J /m2 hMSH2 expression increased again. The same dosage dependent function was seen on the protein level. To address the question of a second function of hMSH2 in cells irradiated at high dose, TUNEL-assays were performed. A positive correlation between the level of hMSH2 protein and the number of apoptotic cells was found. To study the repair function of hMSH2 in highly irradiated cells, we used a biochemical mismatch repair assay system. Cells treated with high dosage of UV showed no repair activity in contrast to non-irradiated cells. Annexin V staining and FACS analysis confirmed the apoptotic status of these cells. It is well-known that hMSH6 is necessary for dimer formation with hMSH2 (MutSa) to detect DNA mismatches. So far there are little data on a possible involvement of hMSH6 in apoptosis. Therefore was performed an analysis of hMSH6 protein levels in irradiated cells, revealed that hMSH6 was expressed at doses up to 50 – 75 J/m2. In contrast no hMSH6 was detectable in UV-irradiated cells treated with 100 J/m2. In addition fluorescence immuno labelling of MSH2 revealed the subcellular translocation of the protein from the nucleus to the cytoplasm in apoptotic cells. This effect may indicate a possible link between the mismatch repair system and apoptotic pathways.

The Nucleotide Excision Repair (NER) pathway is able to remove a vast diversity of structurally unrelated DNA lesions and is the only repair mechanism in humans responsible for the excision of UV induced DNA damages. The NER mechanism raises two fundamental questions: 1) How is DNA damage recognition achieved discriminating damaged from non damaged DNA? 2) How is DNA incision regulated preventing endonucleases to cleave DNA non specifically but induce and ensure dual incision of damaged DNA? Thus, the aim of this work was to investigate the mechanisms leading from recognition to incision of damaged DNA. To decipher the underlying process of damage recognition in a prokaryotic model system, the intention of the first part of this work was to co crystallize the helicase UvrB form Bacillus caldotenax together with a DNA substrate comprising a fluorescein adducted thymine as an NER substrate. Incision assays were performed to address the question whether UvrB in complex with the endonuclease UvrC is able to specifically incise damaged DNA employing DNA substrates with unpaired regions at different positions with respect to the DNA lesion. The results presented here indicate that the formation of a specific pre incision complex is independent of the damage sensor UvrA. The preference for 5’ bubble substrate suggests that UvrB is able to slide along the DNA favorably in a 5’ → 3’ direction until it directly encounters a DNA damage on the translocating strand to then recruit the endonuclease UvrC. In the second part of this work, the novel endonuclease Bax1 from Thermoplasma acidophilum was characterized. Due to its close association to archaeal XPB, a potential involvement of Bax1 in archaeal NER has been postulated. Bax1 was shown to be a Mg2+ dependent, structure specific endonuclease incising 3’ overhang substrates in the single stranded region close to the ssDNA/dsDNA junction. Site directed mutagenesis of conserved amino acids was employed to identify putative active site residues of Bax1. In complex with the helicase XPB, however, incision activity of Bax1 is altered regarding substrate specificity. The presence of two distinct XPB/Bax1 complexes with different endonuclease activities indicates that XPB regulates Bax1 incision activity providing insights into the physical and functional interactions of XPB and Bax1. / Die Nukleotid-Exzisions-Reparatur (NER) ist in der Lage, eine Vielfalt an strukturell unterschiedlichen DNA Schädigungen zu entfernen, und ist überdies der einzige DNA-Reparaturmechanismus im Menschen, der UV induzierte DNA-Schädigungen entfernen kann. Der NER Mechanismus impliziert zwei grundlegende Fragen: 1) Wie wird geschädigte DNA erkannt und worauf gründet sich die Unterscheidung zwischen geschädigter und nicht geschädigter DNA? 2) Wie wird das Schneiden der DNA reguliert? Wie wird unspezifisches Schneiden verhindert und sichergestellt, dass die geschädigte DNA auf beiden Seiten der Schädigung herausgeschnitten wird? Das Ziel dieser Arbeit war es daher, die Mechanismen zu untersuchen, die vom Erkennen zum Herausschneiden geschädigter DNA führen. Um im bakteriellen Modelsystem den zugrundeliegenden Prozess der Schadenserkennung zu entschlüsseln, sollte im ersten Teil dieser Arbeit die Helikase UvrB aus Bacillus caldotenax zusammen mit einem geschädigten DNA Substrat kristallisiert werden. Als Schädigung wurde ein Fluorescein-Molekül genutzt, das an eine Thymin-Base gekoppelt wurde. Biochemische Experimente wurden durchgeführt um herauszufinden, ob UvrB im Komplex mit der Endonuklease UvrC spezifisch geschädigte DNA schneiden kann. Dafür wurden DNA-Substrate eingesetzt, die ungepaarte Basen an verschiedenen Stellen bezüglich der DNA-Schädigung enthielten. Die hier gezeigten Ergebnisse deuten darauf hin, dass ein spezifischer Komplex gebildet werden kann, der auch unabhängig von dem Schadenssensor UvrA zum Schneiden der DNA befähigt ist. Die Schnitt-Präferenz für die 5‘ ungepaarte Region lässt vermuten, dass UvrB bevorzugt in 5‘→3‘ Richtung an der DNA entlanggleiten kann. Sobald UvrB auf eine Schädigung auf diesem DNA Strang trifft, wird die Endonuklease UvrC rekrutiert. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde die neuartige Endonuklease Bax1 aus Thermoplasma acidophilum charakterisiert. Aufgrund der engen Assoziation zu archaischem XPB wurde eine Beteiligung an der archaischen NER postuliert. Es konnte gezeigt werden, dass Bax1 eine Mg2+ abhängige, strukturspezifische Endonuklease ist, die 3‘-Überhang Substrate im Einzelstrangbereich nahe des Einzelstrang/Doppelstrang Überganges schneidet. Konservierte Aminosäuren wurden gezielt verändert, um diejenigen Reste zu identifizieren, die möglicherweise das aktive Zentrum bilden. Im Komplex mit der Helikase XPB veränderte sich jedoch das Schneideverhalten im Hinblick auf die Substratspezifizität. Die Existenz von zwei verschiedenen XPB/Bax1 Komplexen mit unterschiedlicher Aktivität bezüglich des Schnittverhaltens könnte darauf hinweisen, dass XPB Bax1 reguliert. Diese Beobachtung erlaubt zugleich Einblicke in die Interaktion von XPB und Bax1 auf physikalischer und funktioneller Ebene.

The Fanconi anemia (FA) pathway is a replication-dependent DNA repair mechanism which is essential for the removal of interstrand crosslink (ICL) DNA damages in higher eukaryotes (Moldovan and D’Andrea, 2009). Malfunctions in this highly regulated repair network lead to genome instability (Deans and West, 2011). Pathological phenotypes of the disease FA which is caused by mutations in the eponymous pathway are very heterogeneous, involving congenital abnormalities, bone-marrow failure, cancer predisposition and infertility (Auerbach, 2009). The FA pathway comprises a complex interaction network and to date 16 FA complementation groups and associated factors have been identified (Kottemann and Smogorzewska, 2013). Additionally, components of nucleotide excision repair (NER), homologous recombination repair (HRR), and translesion synthesis (TLS) are involved and coordinated by the FA proteins (Niedzwiedz et al., 2004; Knipscheer et al., 2009). One of the FA proteins is the DEAH helicase FANCM. In complex with its binding partners FAAP24 and MHF1/2 it binds the stalled replication fork and activates the FA damage response (Wang et al., 2013). However, the exact steps towards removal of the ICL damage still remain elusive. To decipher the underlying process of FA initiation by FANCM, this thesis mainly focuses on the archaeal FANCM homolog helicase-associated endonuclease for fork-structured DNA (Hef). Hef from the archaeal organism Thermoplasma acidophilum (taHef) differs from other archaeal Hef proteins and exclusively comprises an N-terminal helicase entity with two RecA and a thumb-like domain while others additionally contain a nuclease portion at the C-terminus. I solved the crystal structure of full-length taHef at a resolution of 2.43 Å. In contrast to the crystal structure of the helicase domain of Hef from Pyrococcus furiosus (pfHef), taHef exhibits an extremely open conformation (Nishino et al., 2005b) which implies that a domain movement of the RecA-like helicase motor domains of 61° is possible thus highlighting the flexibility of helicases which is required to translocate along the DNA. However, small-angle x-ray scattering (SAXS) measurements confirm an intermediate conformation of taHef in solution indicating that both crystal structures represent rather edge states. Most importantly, proliferating cell nuclear antigen (PCNA) was identified as an interaction partner of Hef. This interaction is mediated by a highly conserved canonical PCNA interacting peptide (PIP) motif. Intriguingly, the presence of PCNA does not alter the ATPase nor the helicase activity of taHef, thus suggesting that the interaction is entirely dedicated to recruit taHef to the replication fork to fulfill its function. Due to a high level of flexibility the taHef-taPCNA complex could not be crystallized and therefore SAXS was utilized to determine a low-resolution model of this quaternary structure. This newly discovered PCNA interaction could also be validated for the eukaryotic FANCM homolog Mph1 from the thermophilic fungus Chaetomium thermophilum (ctMph1). As the first step towards the characterization of this interaction I solved the crystal structure of PCNA from Chaetomium thermophilum (ctPCNA). Furthermore, it was possible to achieve preliminary results on the putative interaction between the human proteins FANCM and PCNA (hsFANCM, hsPCNA). In collaboration with Detlev Schindler (Human Genetics, Würzburg) and Weidong Wang (National Institute on Aging, Baltimore, USA) co-immunoprecipitation (CoIP) experiments were performed using hsFANCM and hsPCNA expressed in HEK293 cells. Although an interaction was reproducibly observed in hydroxyurea stimulated cells further experiments and optimization procedures are required and ongoing. / Der Fanconi Anämie (FA) Signalweg ist ein replikationsabhängiger DNA-Reparaturmechanismus, der grundlegend zur Beseitigung von DNA-Schäden in Form von intermolekularen Quervernetzungen (ICL) beiträgt (Moldovan and D’Andrea, 2009). Fehlfunktionen in diesem stringent regulierten Reparaturnetzwerk führen somit zu Genominstabilität (Deans and West, 2011). Der pathologische Phänotyp der Krankheit FA, die durch Mutationen in dem gleichnamigen DNA-Reparatur Signalweg verursacht wird, ist sehr heterogen und umfasst angeborene Deformationen, Knochenmarksversagen, eine erhöhte Tumor Disposition sowie Infertilität (Auerbach, 2009). Der FA Mechanismus ist ein komplexes Netzwerk und bisher wurden 16 FA Komplementationsgruppen sowie weitere beteiligte Faktoren identifiziert (Kottemann and Smogorzewska, 2013). Zusätzlich sind Komponenten der Nukleotid-Exzisionsreparatur (NER), der homologen Rekombinationsreparatur (HRR) und Transläsionssynthese (TLS) involviert, die durch FA Proteine koordiniert werden (Niedzwiedz et al., 2004; Knipscheer et al., 2009). Eines der FA Proteine ist die DEAH Helikase FANCM. Im Komplex mit seinen Interaktionspartnern FAAP24 und MHF1/2 bindet FANCM an die durch den ICL Schaden zum Stillstand gekommene Replikationsgabel und aktiviert die FA Schadensantwort (Wang et al., 2013). Die weiteren Schritte, die zur Entfernung des ICL Schadens führen, sind jedoch weitestgehend ungeklärt. Zur Aufklärung der Initiation des FA Mechanismus und der Rolle, die das FANCM dabei spielt, wurde in dieser Arbeit hauptsächlich das archaische FANCM Homolog Helicase-associated Endonuclease for Fork-structured DNA (Hef) analysiert. Hef aus dem archaischen Organismus Thermoplasma acidophilum (taHef) unterscheidet sich von anderen archaischen Hef Proteinen und besteht ausschließlich aus einem N-terminalen Helikase-Abschnitt mit zwei RecA und einer thumb-like Domäne, während andere Hef Proteine am C-Terminus zusätzlich eine Nuklease-Domäne besitzen. Ich habe die Kristallstruktur des taHef Proteins bei einer Auflösung von 2,43 Å gelöst. Im Gegensatz zur Kristallstruktur eines vergleichbaren Hef-Konstruktes aus Pyrococcus furiosus (pfHef) (Nishino et al., 2005b) liegt in taHef eine extrem offene Konformation der beiden RecA-Domänen vor, was impliziert, dass eine Bewegung der RecA-ähnlichen Helikase Motordomänen um 61° möglich ist und zudem die zur Translokation entlang der DNA notwendige Flexibilität von Helikasen verdeutlicht. Messungen mittels Kleinwinkelröntgenstreuung (SAXS) deuten hingegen auf eine intermediäre Konformation des taHef Proteins in Lösung hin, wodurch beide Kristallstrukturen als eher Randzustände angesehen werden können. Besonders hervorzuheben ist, dass das Protein Proliferating Cell Nuclear Antigen (PCNA) als Hef Interaktionspartner identifiziert wurde. Diese Interaktion wird durch ein hoch-konserviertes kanonisches PCNA Interaktionspeptid-Motiv vermittelt. Interessanterweise beeinflusst PCNA aber weder die ATPase noch die Helikase Aktivität von taHef, was darauf hindeutet, dass diese Interaktion nur zur Rekrutierung des Hef Proteins zur Replikationsgabel dient. Wegen des hohen Maßes an Flexibilität konnte der taHef-taPCNA Komplex nicht kristallisiert werden, wohingegen SAXS Messungen erfolgreich waren und ein Model bei niedriger Auflösung konnte erhalten werden. Diese nachgewiesene Interaktion zwischen Hef und PCNA konnte auch für das eukaryotische FANCM Homolog Mph1 aus dem thermophilen Pilz Chaetomium thermophilum (ctMph1) bestätigt werden. Als ersten Schritt zur Charakterisierung dieser Interaktion habe ich die Kristallstruktur von PCNA aus Chaetomium thermophilum (ctPCNA) gelöst. Weiterhin war es möglich, vorläufige Resultate bezüglich der mutmaßlichen Interaktion zwischen den humanen Proteinen FANCM und PCNA (hsFANCM, hsPCNA) zu erhalten. In Kooperation mit Detlev Schindler (Humangenetik, Würzburg) und Weidong Wang (National Institute on Aging, Baltimore, USA) wurden Co-Immunopräzipitations-Experimente (CoIP) mit humanem FANCM und humanem PCNA aus HEK293-Zellen durchgeführt. Obwohl eine Interaktion in Hydroxyurea-stimulierten Zellen reproduzierbar nachgewiesen werden konnte, sind weitere Experimente notwendig, um diese Interaktion zu charakterisieren.

G-quadruplex structures are highly stable alternative DNA structures that can, when not properly regulated, impede replication fork progression and cause genome instability (Castillo Bosch et al, 2014; Crabbe et al, 2004; Koole et al, 2014; Kruisselbrink et al, 2008; London et al, 2008; Lopes et al, 2011; Paeschke et al, 2013; Paeschke et al, 2011; Piazza et al, 2015; Piazza et al, 2010; Piazza et al, 2012; Ribeyre et al, 2009; Sabouri et al, 2014; Sarkies et al, 2012; Sarkies et al, 2010; Schiavone et al, 2014; Wu & Spies, 2016; Zimmer et al, 2016). The aim of this thesis was to identify novel G-quadruplex interacting proteins in Saccharomyces cerevisiae and to unravel their regulatory function at these structures to maintain genome integrity. Mms1 and Rtt101 were identified as G-quadruplex binding proteins in vitro via a pull-down experiment with subsequent mass spectrometry analysis. Rtt101, Mms1 and Mms22, which are all components of an ubiquitin ligase (Rtt101Mms1/Mms22), are important for the progression of the replication fork following fork stalling (Luke et al, 2006; Vaisica et al, 2011; Zaidi et al, 2008). The in vivo binding of endogenously tagged Mms1 to its target regions was analyzed genome-wide using chromatin-immunoprecipitation followed by deep-sequencing. Interestingly, Mms1 bound independently of Mms22 and Rtt101 to G-rich regions that have the potential to form G-quadruplex structures. In vitro, formation of G-quadruplex structures could be shown for the G-rich regions Mms1 bound to. This binding was observed throughout the cell cycle. Furthermore, the deletion of MMS1 caused replication fork stalling as evidenced by increased association of DNA Polymerase 2 at Mms1 dependent sites. A gross chromosomal rearrangement assay revealed that deletion of MMS1 results in a significantly increased genome instability at G-quadruplex motifs compared to G-rich or non-G-rich regions. Additionally, binding of the helicase Pif1, which unwinds G4 structures in vitro (Paeschke et al, 2013; Ribeyre et al, 2009; Sanders, 2010; Wallgren et al, 2016), to Mms1 binding sites was reduced in mms1 cells. The data presented in this thesis, together with published data, suggests a novel mechanistic model in which Mms1 binds to G-quadruplex structures and enables Pif1 association. This allows for replication fork progression and genome integrity. / Bei G-quadruplex Strukturen handelt es sich um stabile Sekundärstrukturen der DNA, welche das Fortschreiten der Replikationsgabel behindern und Genominstabilität verursachen können, falls sie nicht konsequent reguliert werden (Castillo Bosch et al, 2014; Crabbe et al, 2004; Koole et al, 2014; Kruisselbrink et al, 2008; London et al, 2008; Lopes et al, 2011; Paeschke et al, 2013; Paeschke et al, 2011; Piazza et al, 2015; Piazza et al, 2010; Piazza et al, 2012; Ribeyre et al, 2009; Sabouri et al, 2014; Sarkies et al, 2012; Sarkies et al, 2010; Schiavone et al, 2014; Wu & Spies, 2016; Zimmer et al, 2016). Ziel dieser Doktorarbeit war es, neue Proteininteraktionspartner dieser Strukturen in Saccharomyces cerevisiae zu identifizieren und zu untersuchen, wie diese Proteine die Strukturen regulieren um Genomstabilität zu gewährleisten. Mit Hilfe eines Pulldown Assays und anschließender massenspektrometrischer Analyse wurden Mms1 und Rtt101 in vitro als Interaktionspartner von G-quadruplex Strukturen identifiziert. Rtt101, Mms1 und Mms22, Komponenten der Ubiquitinligase Rtt101Mms1/Mms22, spielen eine wichtige Rolle beim Fortschreiten der Replikationsgabel, falls dieses durch Agenzien gehemmt wurde (Luke et al, 2006; Vaisica et al, 2011; Zaidi et al, 2008). Durch Chromatin-Immunpräzipitation mit anschließender Hochdurchsatzsequenzierung wurden die Bindestellen von Mms1 identifiziert. Interessanterweise hat Mms1 genomweit an G-reiche Sequenzen gebunden. Diese G-reichen Sequenzen bildeten G-quadruplex Strukturen in vitro aus. Die Bindung von Mms1 erfolgte unabhängig von Rtt101 und Mms22 sowie während des gesamten Zellzyklus. Außerdem kam es zu einer Verlangsamung der Replikationsgabel in mms1 Zellen, was durch eine verstärkte Bindung der DNA Polymerase 2 nachgewiesen wurde. Ein gross chromsomal rearrangement assay zeigte, dass die Genominstabilität in mms1 Zellen signifikant erhöht ist, wenn G-quadruplex Motive, im Vergleich zu nicht-G-reichen oder G-reichen Kontrollregionen, vorhanden sind. Zudem war die Bindung der Helikase Pif1, welche G-quadruplex Strukturen in vitro entwindet (Paeschke et al, 2013; Ribeyre et al, 2009; Sanders, 2010; Wallgren et al, 2016), stark reduziert, wenn Mms1 fehlte. Mit Hilfe der in dieser Doktorarbeit gewonnenen Ergebnisse, sowie mit Hilfe publizierter Daten, lässt sich ein Model postulieren, in welchem Mms1 an G-quadruplexe bindet und somit die Bindung von Pif1 ermöglicht. Dadurch werden das Fortschreiten der Replikationsgabel und die Genomstabilität gewährleistet.