Nicht-kleinzelliger Lungenkrebs (NSCLC) hat bis heute einen hohen medizinischen Bedarf an effektiveren Therapien. Inhibitoren der Bromodomain and extra-terminal domain (BET) Familie wie JQ1 wirken in verschiedenen Krebsarten, einschließlich Lungenkrebs. Während ihre Aktivität auf die Expression von Onkogenen wie c-Myc in vielen Studien untersucht wurde, bleibt der Effekt von BET-Inhibition auf den Apoptose Signalweg weitgehend unbekannt. In dieser Arbeit wurde die Aktivität von BET-Inhibitoren auf den Zellzyklus und auf Komponenten der Apoptose-Antwort der Zelle untersucht. Genomweite Transkriptionsanalysen haben zusammen mit Chromatin Immunpräzipitation und anschließender Sequenzierung geholfen das MYC Gen und dessen assoziierte Super-enhancer als primäres Ziel des BET-Inhibitors JQ1 zu identifizieren. Mittels einer Gruppe von NSCLC Modellen belegt diese Arbeit, dass Zelllinien die auf die BET-Inhibitoren reagieren in Apoptose gehen und eine Reduktion der S-Phasen Population zusammen mit gleichzeitiger de-regulation der c-Myc Expression aufwiesen. Andererseits konnte die ektopische Überexpression von c-Myc der anti-proliferativen Wirkung entgegenwirken. Die Auswirkung von BET-Inhibition auf die Expression von 370 Genen, die in der Apoptose Regulation involviert sind, wurde in sensitiven und resistenten Zellen verglichen und dabei wurde die starke BET-Abhängigkeit der Expression von zwei Schlüsselgenen der Apoptose FLIP und XIAP festgestellt. Die Kombination von JQ1 mit dem tumor necrosis factor-related apoptosis-inducing ligand (TRAIL) oder dem Chemotherapeutikums Cisplatin die verstärke die Induktion von Apoptose in sowohl BET-Inhibitor sensitiven als auch in resistenten Zellen. Des Weiteren zeigte die Kombination einen verbesserten Antitumor-Effekte in A549 tumortragenden Mäusen. Insgesamt zeigen diese Ergebnisse, dass die Identifizierung von BET-abhängigen Genen unterstützend für die Wahl von therapeutischen Kombinationspartnern in der Krebsbehandlung sein kann. / Non-small cell lung cancer (NSCLC) has a high medical need for more effective therapies. Small molecule inhibitors of the bromodomain and extra terminal domain (BET) family such as JQ1 are active in different cancer types, including lung cancer. While their activity on oncogene expression such as c-Myc has been addressed by many studies, the effects of BET inhibition on the apoptotic pathway remain largely unknown. This work evaluates the activity of BET bromodomain inhibitors on cell cycle distribution and on components of the apoptotic response. Genome-wide transcriptional analyses together with chromatin immunoprecipitation followed by sequencing helped to identify the MYC gene and associated super-enhancers as a primary target of JQ1. Using a panel KRAS-mutated NSCLC models, it was found that cell lines responsive to BET inhibitors underwent apoptosis and reduced their S-phase population, concomitant with down-regulation of c-Myc expression. Conversely, ectopic c-Myc overexpression rescued the anti-proliferative effect of JQ1. The effects of BET inhibition on the expression of 370 genes involved in apoptosis were compared in sensitive and resistant cells and the expression of the two key apoptosis regulators FLIP and XIAP was found to be highly BET-dependent. Consistent with this, combination treatment of JQ1 with the tumor necrosis factor-related apoptosis-inducing ligand (TRAIL) or the pro-apoptotic chemotherapeutic agent cisplatin enhanced induction of apoptosis in both BET inhibitor sensitive and resistant cells. Furthermore the combination of JQ1 with cisplatin led to significantly improved anti-tumor efficacy in A549 tumor-bearing mice. Altogether these results show that the identification of BET-dependent genes provides guidance for the choice of drug combinations in cancer treatment.

Die essentielle Histon H3 Variante Cse4 ersetzt am Centromer das Standard Histon H3 und bildet zusammen mit Histon H4 funktionelle Cse4-H4 Tetramere aus. In dieser Studie konnte gezeigt werden, das Cse4 über seinen einzigartigen N-Terminus mit zwei Komponenten des Histon-Acetyltransferase-Komplexes SAS-I interagiert: der enzymatischen Untereinheit Sas2 und Sas4. Mutationen innerhalb des atypischen C2HC Zink-Fingers oder der HAT-Aktivierungsdomäne von Sas2 verhindern eine Bindung an Cse4, obwohl mit Hilfe von Co-Immunopräzipitationsexperimenten eine indirekte Interaktion nachgewiesen werden konnte. Weiterhin wurde gezeigt, dass Cse4 mit Cac1, der größten Untereinheit des Chromatin-Assemblierungsfaktors CAF-I und Asf1 interagiert - zwei Histon Chaperonen, die Histon H3 und H4 in Chromatin assemblieren. Unsere Ergebnisse lassen weiterhin auf eine separate Rolle von Cac1, unabhängig von den beiden anderen Untereinheiten schließen. Die Interaktion von Cse4 und Ctf19 wird durch eine Deletion von Sas2 verhindert. Ebenfalls kann die Temperatur-Sensitivität eines cse4-103 mutierten Hefestamms durch eine Sas2-Deletion partiell supprimiert. Somit kann man darauf schließen, dass Sas2 eine Funktion bei der Stabilisierung des Centromers aufweist. Die bisherigen Ergebnisse lassen die Frage aufkommen, ob Cse4 in der Zelle acetyliert ist und ob es möglicherweise als Histon H3 Variante ebenfalls ein Substrat von SAS-I darstellt. Wir konnten zeigen, dass Cse4 tatsächlich in einem acetylierten Status vorliegt, ob SAS-I jedoch für die Acetylierung verantwortlich ist bleibt nachzuweisen. / The essential histone H3 variant Cse4 plays a crucial role at the centromere in S. cerevisiae, where it replaces histone H3 in that it assembles centromere specific (Cse4-H4)2 tetrameres. We found in our study that the histone H3 variant was able to interact over its unique N-Terminus with two subunits of the histone acetyltransferase complex SAS-I: Sas2 and Sas4. Mutations within the acetyl-CoA binding site (HAT domain) or the zink-finger of Sas2 disrupted the binding to Cse4, although an indirect interaction was found with co-immunoprecipitation experiments. Additionally, the N-terminus of Cse4 interacted with Cac1, the largest subunit of the chromatin assembly factor CAF-I and Asf1 - two histone chaperones that assemble histones H3 and H4 into nucleosomes. Our findings further suggest a role of Cac1 independent of Cac2 and Cac3 as no binding to Cse4 could be detected. A role for Sas2 at the centromere was further confirmed in that a sas2 deletion (sas2 delta) disrupted the binding of Cse4 to Ctf19. Additionally, sas2 delta partially rescued the temperature sensitivity of a cse4-103 mutated strain at elevated temperatures, suggesting a role for Sas2 in improving centromere stability. An important question resulted from our studies: is Sas2 able to acetylate the histone H3 variant Cse4 ? We have circumstantial evidence that Cse4 was indeed acetylated in the cell, but whether Sas2 accounts for the acetylation remains to be determined.

Neueste Arbeiten zeigen, dass die Selbsterneuerung und Pluripotenz von Stammzellen durch hochkonservierte Signalwege kontrolliert werden. Störungen dieser Prozesse verursachen Tumoren, die von Zellen mit stammzellähnlichen Eigenschaften ausgehen, den sog. Krebsstammzellen. Diese Arbeit zeigt, dass erhöhte Wnt/beta-Catenin- und erniedrigte Bmp-Signalgebung eine wichtige Rolle in der Entstehung humaner Plattenepithel-Karzinome der Speicheldrüsen spielen. Es wurde ein Mausmodell hergestellt, bei dem die Aktivierung der Wnt/beta-Catenin und der Verlust der Bmp-Signalgebung ebenfalls Speicheldrüsenkarzinome verursachen. Die Speicheldrüsen-Tumoren der Maus enthielten eine erhöhte Zahl von CD24+CD29+-Stammzellen, von denen bereits 500 Zellen transplantierbare Tumoren in NOD/SCID-Mäusen induzierten, d. h. dass sie Krebsstammzellen darstellen. Die Veränderung nur eines Signalweges, Wnt/beta-Catenin oder Bmp allein, war nicht tumorigen, resultierte aber in einer erhöhten Anzahl von CD24+CD29+-Stammzellen in der Speicheldrüse und einer fünffach schnelleren Geweberegeneration nach Verwundung. Die Krebsstammzellen der Speicheldrüsen zeigten eine erhöhte Expression von Pluripotenzgenen und globale Veränderungen von trimethyliertem Lysin 4 und 27 des Histons 3. Diese Veränderungen korrelieren häufig mit einer Zunahme aktiven und einer Abnahme repressiven Chromatins. Die Krebsstammzellen wuchsen in vitro als undifferenzierte Salisphären und konnten durch Inhibierung des Wnt/beta-Catenin-Signalweges in drüsenartige Strukturen differenziert werden. Dieser Prozess war von repressivem Chromatin abhängig, da DNA-Methylierungs- oder Histon-Deazetylase-Inhibitoren den ursprünglichen Krebsstammzell-Status wieder reaktivieren konnten. Diese Arbeit zeigt, dass ein aktiver Wnt/beta-Catenin-Signalweg die Transformation von normalen Stammzellen zu Krebsstammzellen durch einen epigenetischen Mechanismus fördert. Die Ergebnisse eröffnen neue Strategien für die Tumortherapie beim Menschen. / Little is known about the processes by which cancer stem cells arise in the different tissues. Our analysis of aggressive squamous cell carcinomas (SCCs) of the salivary gland in human patients suggested a link to the Wnt/beta-catenin and Bmp signaling systems. Using a genetically modified mouse strain in which Wnt signaling is up-regulated and Bmp is suppressed, we found that Wnt/beta-catenin promotes the transformation of normal stem cells into cancer stem cells through an epigenetic mechanism. Mouse SCCs of the salivary gland contained high numbers of CD24+CD29+ cancer stem cells. As few as 500 of these cells sufficed to cause tumors when transplanted into NOD/SCID mice. Mice in which only one of the signaling systems was altered had higher numbers of stem cells in the salivary gland, more efficient tissue regeneration, and no apparent tumors. We discovered that the difference of normal compared to cancer stem cells in the salivary gland is an up-regulation of specific pluripotency genes, e.g. Dppa5, as well as global changes in trimethylated Lysine 4 and 27 of histone 3. This indicates an increase of active chromatin and a decrease in the repressive form, which suggests a mechanistic explanation for the change of cell fate. Cancer stem cells of the salivary gland grew as non-adherent spheres and retained the capacity for differentiation if beta-catenin is inhibited. This depended on repressive chromatin, as shown by the fact that 5-azacytidine or HDAC inhibitors restored stemness. Our data opens new strategies for future cancer therapies in humans.

Bei Säugerkeimzellen, Zygoten und Embryos in frühen Stadien kommt der epigenetischen Neuprogammierung eine außergewöhnlich wichtige Rolle in der Regulation der Genomfunktionen in entscheidenden Entwicklungsstadien zu. Die epigenetische Neuprogrammierung in Keimzellen löscht zuerst die Imprinting-Markierungen und Epi-Mutationen und stellt dann geschlechtsspezifische Markierungen (genomische Prägung) wieder her. Die vorliegende Arbeit bezieht sich auf das Löschen epigenetischer Modifikationen in primordialen Mauskeimzellen (primordial germ cells (PGCs)) zwischen dem 10.5 bis 13.5 Tag nach der Befruchtung. Entgegen früheren Annahmen zeigen unsere Ergebnisse, daß primordiale Mauskeimzellen (PGCs) beim Eintritt in die embryonalen Keimdrüsen noch immer DNS Methylierungsmarker besitzen, die ähnlich dem Marker in somatischen Zellen sind. Kurz nach dem Eintritt in die Keimdrüsen werden die DNS Methylierungsmarker, die in Verbindung mit geprägten und nicht geprägten Genen stehen, gelöscht. Für die Mehrzahl der Gene beginnt die Löschung der Marker in männlichen und weiblichen Embryos gleichzeitig und ist innerhalb eines Entwicklungstages abgeschlossen. Diese Kinetik deutet auf einen aktiven Demethylierungsprozess hin, initiiert durch ein somatisches Signal, ausgehend von der embryonalen Keimdrüse. Der Zeitpunkt der Neuprogrammierung in den primordialen Keimzellen ist entscheidend, da er sicherstellt, daß Keimzellen beiden Geschlechts einen epigenetisch äquivalenten Status erhalten, bevor sie geschlechtsspezifisch ausdifferenzieren und anschließend neu elterlich geprägt werden. Vollständiges Verständnis des Prozesses der Neuprogrammierung der Keimzellen ist nicht nur im Hinblick auf genomisches Imprinting wichtig, sondern auch für die Erforschung von Mechanismen für die Wiederherstellung von omnipotenten Zellen bei Klonierung und Stammzellenerhaltung. / Epigenetic reprogramming in mammalian germ cells, zygote and early embryos, plays a crucial role in regulating genome functions at critical stages of development. Germ line epigenetic reprogramming assures erasure of all the imprinting marks and epi-mutations and establishment of new sex-specific gametic imprints. The presented work focuses on the erasure of epigenetic modifications that occur in mouse primordial germ cells (PGCs) between day 10.5 to 13.5 post coitum (dpc). Contrary to previous assumptions, our results show that as they enter the genital ridge the PGCs still possess DNA methylation marks comparable to those found in somatic cells. Shortly after the entry of PGCs into the gonadal anlagen the DNA methylation marks associated with imprinted and non-imprinted genes are erased. For most genes the erasure commences simultaneously in PGCs of both male and female embryos and is completed within only one day of development. The kinetics of this process indicates that is an active demethylation process initiated by a somatic signal emanating from the stroma of the genital ridge. The timing of reprogramming in PGCs is crucial since it ensures that germ cells of both sexes acquire an equivalent epigenetic state prior to the differentiation of the definitive male and female germ cells in which, new parental imprints are established subsequently. Complete understanding of the germline reprogramming processes is important not only in the light of genomic imprinting but also for resolving other mechanisms connected with restoring cellular totipotency, such as cloning and stem cell derivation.

Background: The appetite-stimulating hormone ghrelin is a fundamental regulator of human energy metabolism. A series of studies support the notion that long-term appetite and weight regulation may be already programmed in early life and it could be demonstrated that the intrauterine environment affects the ghrelin system of the offspring. Animal studies have also shown that intrauterine programming of orexigenic systems persists even until adolescence/adulthood. Methods: We hypothesized that plasma ghrelin concentrations in adulthood may be associated with the intrauterine exposure to cigarette smoke. We examined this hypothesis in a sample of 19-year-olds followed up since birth in the framework of the Mannheim Study of Children at Risk, an ongoing epidemiological cohort study of the long-term outcome of early risk factors. Results: As a main finding, we found that ghrelin plasma concentrations in young adults who had been exposed to cigarette smoke in utero were significantly higher than in those without prenatal smoke exposure. Moreover, individuals with intrauterine nicotine exposure showed a significantly higher prevalence of own smoking habits and lower educational status compared to those in the group without exposure. Conclusion: Smoking during pregnancy may be considered as an adverse intrauterine influence that may alter the endocrine-metabolic status of the offspring even until early adulthood.

Why is there a phenomenon of chance in the created world? There are many different probability distributions and does that point at different ideas of chance? Given that God has created the whole universe, why is chance an element of that universe of ours? Does He use chance as a mechanism for His providence? There is a common apprehension of the laws of nature, that they are statistically attained in an asymptotic behaviour over a long period of time. The laws of probability are likewise evolved in the same fashion, as shown in the paper. The universe seems to be lawfully constructed according to both natural laws and probability laws. It is a clear conclusion to regard chance as an intrinsic concept of the world. But, why are there so many ideas of chance despite this common feature of the world? Next section in the paper addresses the many conceptions of chance and works out an idea of how to look at these conditions. The paper results in a presentation of a hierarchy, where different events with their probability distributions might be gathered to some more common properties of chance. The question rises if God is working on that higher level of hierarchy.  This paper has come to a conclusion that, because there are that many ideas of chance and that many probability distributions, we might lack the idea of chance.

Hintergrund: Der Phospholipase A2 Rezeptor 1 (PLA2R1) ist ein Typ 1 Transmembranrezeptor, welcher der Mannose-Rezeptor-Familie zugeordnet werden kann. Die Bedeutung von PLA2R1 für physiologische und pathologische Vorgänge ist noch weitestgehend unbekannt. Jedoch wird die Regulation wichtiger zellulärer Prozesse, wie Proliferation, Apoptose/ Seneszenz, Adhäsion, Migration/ Invasion und Inflammation im Zusammenhang mit dem Rezeptor diskutiert. Darüber hinaus ist eine Änderung der PLA2R1-Expression bei der Entstehung verschiedenster Krebserkrankung nachweisbar. Hierbei wird der Rezeptor einerseits mit einer pro-onkogenen und pro-migratorischen Wirkung in Verbindung gebracht. Andererseits ist ein tumorsuppressiver Effekt von PLA2R1 und eine Induktion der mitochondrialen Apoptose in Tumorzellen beschrieben. Zudem ist die Expression von PLA2R1 durch epigenetische Mechanismen kontrolliert und eine Promotor-Hypermethylierung ist assoziiert mit einer Repression der Rezeptor-Expression in der Prostatakarzinom (PCa)-Zelllinie LNCaP und der pädiatrischen, akuten lymphoblastischen Leukämie (ALL)-Zelllinie Jurkat. Vorangegangene Arbeiten zeigten eine Hypermethylierung innerhalb eines definierten Bereiches des PLA2R1-Promotors bei adulten Patienten mit akuter myeloischer Leukämie und Myelodysplastischem Syndrom (MDS) sowie eine Korrelation der PLA2R1-Promotormethylierung mit dem Krankheitsstadium und der Klassifizierung nach dem Internationalen Prognostischen Scoring System (IPSS). Fragestellung/ Hypothese: Das Ziel der vorliegenden Arbeit war einerseits die Untersuchung der Funktion von PLA2R1 in den PCa-Zelllinien LNCaP und PC-3. Während in LNCaP die Rezeptor-Expression durch Promotor-Hypermethylierung unterdrückt ist, kann in PC-3-Zellen eine Hochregulation von PLA2R1 im Vergleich zu normalen Prostataepithelzellen nachgewiesen werden. Durch in vitro Transfektionsexperimente sollte der Effekt einer Re-expression von PLA2R1 in LNCaP-Zellen sowie die Auswirkungen einer Reduktion der PLA2R1-Expression in PC-3-Zellen untersucht werden. Der Einfluss der veränderten PLA2R1-Expressionslevel auf wichtige Zellparameter wurde evaluiert. Die in vitro Daten der PCa-Zelllinien wurden mit den in vivo Ergebnissen des Tumorwachstums von transfizierten LNCaP- und PC-3-Zellen in Xenograft-Mausmodellen verglichen. Andererseits sollte basierend auf den Ergebnissen von adulten Patienten mit AML- und MDS-Diagnose und der dabei festgestellten Hypermethylierung des Rezeptor-Promotors der Methylierungsstatus des Rezeptors bei der pädiatrischen ALL untersucht werden. Überdies sollte die Eignung der PLA2R1-Methylierungsanalyse als sensitiver Biomarker für die Therapiekontrolle, Überwachung der minimalen Resterkrankung (MRD) und Risikostratifizierung der pädiatrischen ALL evaluiert werden. Die Funktion des Rezeptors im Kontext der pädiatrischen ALL wurde durch eine transfektionsbasierte Re-expression von PLA2R1 in der Jurkat-ALL-Zelllinie untersucht. Durch in vitro Experimente wurden die Auswirkungen der verschiedenen PLA2R1-Expressionslevel auf Proliferation und Apoptose/ Nekrose in transfizierten Jurkat-Zellen analysiert. Material und Methoden: Durch Transfektion mit einem PLA2R1-Expressionsvektor konnte eine stabile Überexpression des Rezeptors in LNCaP- (LNCaP-PLA2R1) und Jurkat-Zellen (Jurkat-PLA2R1) erreicht und die Ergebnisse mit Kontrollvektor-transfizierten LNCaP- (LNCaP-Ctrl) und Jurkat-Zellen (Jurkat-Ctrl) verglichen werden. Mittels CRISPR/Cas9-Knockdown konnte eine Verminderung der PLA2R1-Expression in PC-3-Zellen (PC-3-KD) im Vergleich zu Kontrollvektor-transfizierten PC-3-Zellen (PC-3-Ctrl) erreicht werden. Genexpressionsanalysen wurden mittels quantitativer PCR nach reverser Transkription (RT-qPCR) durchgeführt und die Proteinsynthese des Rezeptors durch Western Blot Analyse überprüft. In vitro sollten die Auswirkungen der differenziellen PLA2R1-Expression der transfizierten Zellen auf wichtige proliferative und metastatische Zellparameter untersucht werden. Die Zellviabilität/ Proliferation wurde mittels WST-1 Assay für adhärente Zellen und Zellwachstumskurven-Analyse mit Trypanblau-Färbung bei Suspensionszellen analysiert. Zellmotilität und Proliferation wurden bei transfizierten PCa-Zelllinien mithilfe des Wundheilungsassays beurteilt. Apoptose konnte durch Wasserstoffperoxid stimuliert und mittels Caspase-Glo® 3/7 Assay und RealTime-Glo™ Annexin V Apoptosis and Necrosis Assay für transfizierte PCa-Zelllinien sowie durchflusszytometrische Analysen nach Annexin-V-FLUOS/ Hoechst 33258 Färbung für transfizierte Jurkat-Zellen untersucht werden. Die klonogene Überlebensrate und das Koloniewachstum der transfizierten PCa-Zelllinien sollten mithilfe des klonogenen Assays analysiert werden. In einer in vivo Pilotstudie wurde der Effekt von PLA2R1 auf das Tumorwachstum mittels Xenograft-Mausmodellen (männliche SCID/beige Mäuse) durch subkutane Injektion der transfizierten LNCaP- (n = 5) und PC-3-Zellen (n = 9) überprüft. Die PLA2R1-Promotormethylierung als sensitiver Biomarker für die pädiatrische ALL wurde durch Isolation und Bisulfit-Behandlung der genomischen DNA von Knochenmark (KM)-Aspiraten und Leukozyten des peripheren Blutes (PB) von ALL-diagnostizierten Kindern (n = 44) sowie einer anschließenden Analyse mittels digitaler PCR (dPCR) evaluiert. Die Ergebnisse konnten mit dem Methylierungsstatus einer gesunden Kontrollgruppe (n = 20) verglichen werden. Ergebnisse und Schlussfolgerungen: In LNCaP-PLA2R1 und Jurkat-PLA2R1 konnte im Gegensatz zu den dazugehörigen Kontrollzellen eine stabile Überexpression des Rezeptors auf Ebene der Genexpression und Proteinsynthese detektiert werden. Bei PC-3-KD-Zellen war eine Reduktion der PLA2R1-Genexpression und eine Repression der Proteinsynthese unterhalb der Nachweisgrenze des Western Blot Assays zu verzeichnen, während PC-3-Ctrl-Zellen eine Genexpression und Proteinsynthese des Rezeptors zeigten. Die Zellviabilität/ Proliferation und Motilität war signifikant erhöht in LNCaP-PLA2R1 und PC-3-Ctrl im Vergleich zu LNCaP-Ctrl- und PC-3-KD-Zellen. Demgegenüber war eine Verminderung von Apoptose und Koloniewachstum in LNCaP-PLA2R1 und PC-3-Ctrl-Zellen nachweisbar. Durch Genexpressionsanalysen konnte eine Induktion der Expression von Fibronektin 1 (FN1), TWIST Homolog 1 (TWIST1) und Cyclin-abhängige Kinase 6 (CDK6) in LNCaP-PLA2R1-Zellen identifiziert werden. In vivo schien die PLA2R1-abhängige negative Regulation des Koloniewachstums die pro-onkogenen Eigenschaften des Rezeptors zu überwiegen. Dies resultierte in einem verminderten Tumorwachstum von LNCaP-PLA2R1 und einer tumorsuppressiven Rolle des Rezeptors in dieser PCa-Zelllinie. Im Gegensatz dazu zeigten PC-3-Ctrl-Zellen ein schnelleres Tumorwachstum im Xenograft-Mausmodell, was für einen pro-onkogenen Effekt der endogenen PLA2R1-Expression in PC-3-Zellen sprechen würde. Der differenzielle Einfluss von PLA2R1 auf die Regulierung des Tumorzellwachstums könnte im Zusammenhang mit der veränderten Expression von FN1, TWIST1 und CDK6 stehen, jedoch sind weiterführende Experimente nötig, um die Beteiligung dieser Gene in der PLA2R1-Signaltransduktion zu untersuchen. Die Analyse der Zellwachstumskurve der transfizierten Jurkat-Zellen zeigte eine Abnahme der Proliferationsrate und eine Zunahme des Anteils an toten Zellen bei Jurkat-PLA2R1 im Vergleich zu Jurkat-Ctrl-Zellen. Durchflusszytometrische Analysen bestätigten eine Abnahme des Anteils gesunder sowie eine vermehrte Repräsentation von apoptotischen und nekrotischen Jurkat-PLA2R1-Zellen im Vergleich zur Kontrolle, was einen tumorsuppressiven Einfluss des Rezeptors bei der pädiatrischen ALL suggeriert. Die Funktion von PLA2R1 als Tumorsuppressor steht im Einklang mit der festgestellten Hypermethylierung des Rezeptor-Promotors in KM-Aspiraten und PB-Proben von pädiatrischen Patienten mit prä-B und common ALL zum Zeitpunkt der Diagnose der primären Krebserkrankung und des ALL-Rezidives im Vergleich zu der Kontrollgruppe. Der parallele Abfall der PLA2R1-Promotormethylierung und der relativen Blastenzahl im Verlauf der ALL-Induktionstherapie sowie eine signifikante, positive Korrelation beider Größen in KM- und PB-Proben ließen auf die leukämischen Blasten als Quelle der Hypermethylierung des PLA2R1-Promotors schließen. Überdies wiesen Hochrisikopatienten der pädiatrischen ALL eine signifikant höhere PLA2R1-Promotormethylierung am Tag 15 der ALL-Induktionstherapie auf im Vergleich zu Patienten mit einem geringeren Risiko. Zusammenfassend deuteten die in vitro und in vivo Daten auf eine wichtige Funktion des Rezeptors bei der Regulation von Proliferation und Apoptose bei der pädiatrischen ALL hin. Die Analyse der PLA2R1-Promotormethylierung könnte als sensitiver Biomarker zu einer verbesserten ALL-Therapiekontrolle, MRD-Überwachung und Risikostratifizierung während der ALL-Induktionstherapie beitragen.:Inhaltsverzeichnis 1 Zusammenfassung 4 2 Abstract 8 3 Einführung in die Thematik 11 4 Publikation 1: “Diverse Effects of Phospholipase A2 Receptor Expression on LNCaP and PC-3 Prostate Cancer Cell Growth in vitro and in vivo” 24 5 Publikation 2: “Methylation of the Phospholipase A2 Receptor 1 Promoter Region in Childhood B Cell Acute Lymphoblastic Leukaemia” 25 6 Diskussion und Ausblick 26 7 Literaturverzeichnis 32 8 Danksagung 41 9 Anlagen 42 / Background: The phospholipase A2 receptor 1 (PLA2R1) is a type I transmembrane receptor and a member of the mannose receptor family. Physiological and pathophysiological functions of PLA2R1 are still not completely understood. However, PLA2R1 expression is discussed to have an impact on proliferation, apoptosis/ senescence, adhesion, migration/ invasion as well as inflammatory cell responses and divergent PLA2R1 expression is detectable in different types of cancer compared to corresponding normal tissues. In this context, receptor expression is linked to both a pro-oncogenic/ pro-migratory and a tumour-suppressive/ pro-apoptotic impact in different cancer cells. Moreover, PLA2R1 expression is controlled by epigenetic mechanisms and hypermethylation of the PLA2R1 promoter is associated with silenced expression of the receptor in the prostate carcinoma (PCa) cell line LNCaP and the paediatric, acute lymphocytic leukaemia (ALL) cell line Jurkat. Previous work revealed a defined hypermethylated region of the PLA2R1 promoter in adult patients with acute leukaemia and myelodysplastic syndrome (MDS). PLA2R1 promoter methylation correlated with disease stage and International Prognostic Scoring System (IPSS) classification. Aim: The aim of the present study was to evaluate the function of PLA2R1 in PCa cell lines LNCaP and PC-3. The receptor expression is silenced in LNCaP but upregulated in PC-3 cells compared to normal prostate epithelial cells. A pilot in vivo study addressed the effects of PLA2R1 in mice xenografted with transfected LNCaP and PC-3 cells. Based on previous findings of PLA2R1 promoter hypermethylation in adult ALL and MDS patients, the aim of the present study was to analyse the methylation status of the PLA2R1 promoter in paediatric ALL patients compared to healthy individuals. PLA2R1 methylation analysis was evaluated as sensitive biomarker for ALL treatment response, minimal residual disease (MRD) monitoring, and risk stratification. The impact of the receptor in childhood ALL was investigated by transfection-based re-expression of PLA2R1 in the paediatric ALL cell line Jurkat and the effect of different PLA2R1 expression levels on proliferation and apoptosis/ necrosis was analysed in in vitro experiments. Material and Methods: Stable PLA2R1 overexpression was achieved by transfection of LNCaP (LNCaP-PLA2R1) and Jurkat cells (Jurkat-PLA2R1) with a PLA2R1 plasmid vector. Results were compared to control vector transfected LNCaP (LNCaP-Ctrl) and Jurkat cells (Jurkat-Ctrl). Alternatively, PLA2R1 was knocked down using CRISPR/Cas9 in PC-3 cells (PC-3-KD) and compared to the corresponding control-transfected cells (PC-3-Ctrl). Gene expression analysis was conducted by quantitative reverse transcription PCR (RT-qPCR). PLA2R1 protein synthesis was analysed by western blot. The impact of the differential PLA2R1 expression on proliferative and metastatic parameters of transfected cancer cells was investigated in vitro. Cell viability/ proliferation was assessed by means of WST-1 Assay for adherent cells and via cell growth curve analysis after trypan blue staining for suspension cells. Cell motility and proliferation of transfected PCa cell lines were estimated by wound healing assay. Hydrogen peroxide-stimulated apoptosis was analysed by Caspase-Glo® 3/7 Assay and RealTime-Glo™ Annexin V Apoptosis and Necrosis Assay for transfected PCa cell lines and flow cytometric analysis after Annexin-V-FLUOS/ Hoechst 33258 staining for transfected Jurkat cells. Colony formation of transfected PCa cell lines was evaluated by clonogenic assay. A pilot in vivo study addressed the effects of PLA2R1 in mice xenografted with transfected LNCaP (n = 5) and PC-3 cells (n = 9). Evaluating PLA2R1 promoter methylation as sensitive biomarker for paediatric ALL, genomic DNA was isolated from bone marrow (BM) and peripheral blood (PB) of 44 paediatric ALL patients. After bisulfite treatment of isolated DNA samples, PLA2R1 methylation was analysed using digital PCR and compared to 20 healthy controls. Results and Conclusions: PLA2R1 gene expression and protein synthesis were detectable in LNCaP-PLA2R1, PC-3-Ctrl, and Jurkat-PLA2R1 cells but not in LNCaP-Ctrl and Jurkat-Ctrl cells. In PC-3-KD cells, PLA2R1 gene expression was significantly reduced compared to PC-3-Ctrl and PLA2R1 protein synthesis of PC-3-KD cells was below the limit of detection of western blot analysis. Cell viability/proliferation and motility were significantly increased in LNCaP-PLA2R1 and PC-3-Ctrl compared to LNCaP-Ctrl and PC-3-KD cells, respectively. However, levels of apoptosis and clonogenicity were reduced in LNCaP-PLA2R1 and PC-3-Ctrl cells. Gene expression analysis revealed an up-regulation of fibronectin 1 (FN1), TWIST homolog 1 (TWIST1), and cyclin-dependent kinase 6 (CDK6) in LNCaP-PLA2R1 compared to control cells. In LNCaP xenografts, PLA2R1-dependent regulation of clonogenicity appeared to outweigh the receptor’s pro-oncogenic properties, resulting in decreased tumour growth, supporting the tumour-suppressive role of PLA2R1. Alternatively, PC-3-Ctrl xenografts exhibited faster tumour growth compared to PC-3-KD cells, suggesting a pro-oncogenic effect of endogenous PLA2R1 expression. The differential growth-regulatory effects of PLA2R1 may be mediated by FN1, TWIST1, and CDK6 expression, although further investigation is required. Cell growth curve analyses of transfected Jurkat cells revealed a decreased proliferation and increased cell death of Jurkat-PLA2R1 compared to Jurkat-Ctrl cells. Flow cytometry confirmed the reduced fraction of healthy cells and an increase of the apoptotic and necrotic fractions in Jurkat-PLA2R1 cells compared to control cells, suggesting a tumour-suppressive effect of the receptor in paediatric ALL. PLA2R1’s tumour-suppressive function is in accordance with hypermethylation of the receptor promoter in BM aspirates and PB samples of paediatric patients diagnosed with pre-B and common ALL as well as in patients with disease relapse in comparison to healthy controls. PLA2R1 methylation decreased along with leukaemic blast cell reduction during ALL induction treatment and significant positive correlations between PLA2R1 methylation and leukaemic blast cell numbers of BM and PB samples were observable. Therefore, our data suggests that leukaemic blasts are the origin of PLA2R1 hypermethylation in BM and PB samples. Moreover, high risk paediatric ALL patients exhibited increased levels of PLA2R1 promoter methylation compared to non-high risk groups on day 15 of ALL induction treatment. Collected data indicates that PLA2R1 promoter methylation quantitation can be used as biomarker for ALL induction treatment control, risk stratification, and early detection of ALL relapse.:Inhaltsverzeichnis 1 Zusammenfassung 4 2 Abstract 8 3 Einführung in die Thematik 11 4 Publikation 1: “Diverse Effects of Phospholipase A2 Receptor Expression on LNCaP and PC-3 Prostate Cancer Cell Growth in vitro and in vivo” 24 5 Publikation 2: “Methylation of the Phospholipase A2 Receptor 1 Promoter Region in Childhood B Cell Acute Lymphoblastic Leukaemia” 25 6 Diskussion und Ausblick 26 7 Literaturverzeichnis 32 8 Danksagung 41 9 Anlagen 42

Eukaryotic genomes are typically organized as chromatin, the complex of DNA and proteins that forms chromosomes within the cell\\\''s nucleus. Chromatin has pivotal roles for a multitude of functions, most of which are carried out by a complex system of covalent chemical modifications of histone proteins. The propagation of patterns of these histone post-translational modifications across cell divisions is particularly important for maintenance of the cell state in general and the transcriptional program in particular. The discovery of epigenetic inheritance phenomena - mitotically and/or meiotically heritable changes in gene function resulting from changes in a chromosome without alterations in the DNA sequence - was remarkable because it disproved the assumption that information is passed to daughter cells exclusively through DNA. However, DNA replication constitutes a dramatic disruption of the chromatin state that effectively amounts to partial erasure of stored information. To preserve its epigenetic state the cell reconstructs (at least part of) the histone post-translational modifications by means of processes that are still very poorly understood. A plausible hypothesis is that the different combinations of reader and writer domains in histone-modifying enzymes implement local rewriting rules that are capable of \\\"recomputing\\\" the desired parental patterns of histone post-translational modifications on the basis of the partial information contained in that half of the nucleosomes that predate replication. It is becoming increasingly clear that both information processing and computation are omnipresent and of fundamental importance in many fields of the natural sciences and the cell in particular. The latter is exemplified by the increasingly popular research areas that focus on computing with DNA and membranes. Recent work suggests that during evolution, chromatin has been converted into a powerful cellular memory device capable of storing and processing large amounts of information. Eukaryotic chromatin may therefore also act as a cellular computational device capable of performing actual computations in a biological context. A recent theoretical study indeed demonstrated that even relatively simple models of chromatin computation are computationally universal and hence conceptually more powerful than gene regulatory networks. In the first part of this thesis, I establish a deeper understanding of the computational capacities and limits of chromatin, which have remained largely unexplored. I analyze selected biological building blocks of the chromatin computer and compare it to system components of general purpose computers, particularly focusing on memory and the logical and arithmetical operations. I argue that it has a massively parallel architecture, a set of read-write rules that operate non-deterministically on chromatin, the capability of self-modification, and more generally striking analogies to amorphous computing. I therefore propose a cellular automata-like 1-D string as its computational paradigm on which sets of local rewriting rules are applied asynchronously with time-dependent probabilities. Its mode of operation is therefore conceptually similar to well-known concepts from the complex systems theory. Furthermore, the chromatin computer provides volatile memory with a massive information content that can be exploited by the cell. I estimate that its memory size lies in the realms of several hundred megabytes of writable information per cell, a value that I compare with DNA itself and cis-regulatory modules. I furthermore show that it has the potential to not only perform computations in a biological context but also in a strict informatics sense. At least theoretically it may therefore be used to calculate any computable function or algorithm more generally. Chromatin is therefore another representative of the growing number of non-standard computing examples. As an example for a biological challenge that may be solved by the \\\"chromatin computer\\\", I formulate epigenetic inheritance as a computational problem and develop a flexible stochastic simulation system for the study of recomputation-based epigenetic inheritance of individual histone post-translational modifications. The implementation uses Gillespie\\\''s stochastic simulation algorithm for exactly simulating the time evolution of the chemical master equation of the underlying stochastic process. Furthermore, it is efficient enough to use an evolutionary algorithm to find a system of enzymes that can stably maintain a particular chromatin state across multiple cell divisions. I find that it is easy to evolve such a system of enzymes even without explicit boundary elements separating differentially modified chromatin domains. However, the success of this task depends on several previously unanticipated factors such as the length of the initial state, the specific pattern that should be maintained, the time between replications, and various chemical parameters. All these factors also influence the accumulation of errors in the wake of cell divisions. Chromatin-regulatory processes and epigenetic (inheritance) mechanisms constitute an intricate and sensitive system, and any misregulation may contribute significantly to various diseases such as Alzheimer\\\''s disease. Intriguingly, the role of epigenetics and chromatin-based processes as well as non-coding RNAs in the etiology of Alzheimer\\\''s disease is increasingly being recognized. In the second part of this thesis, I explicitly and systematically address the two hypotheses that (i) a dysregulated chromatin computer plays important roles in Alzheimer\\\''s disease and (ii) Alzheimer\\\''s disease may be considered as an evolutionarily young disease. In summary, I found support for both hypotheses although for hypothesis 1, it is very difficult to establish causalities due to the complexity of the disease. However, I identify numerous chromatin-associated, differentially expressed loci for histone proteins, chromatin-modifying enzymes or integral parts thereof, non-coding RNAs with guiding functions for chromatin-modifying complexes, and proteins that directly or indirectly influence epigenetic stability (e.g., by altering cell cycle regulation and therefore potentially also the stability of epigenetic states). %Notably, we generally observed enrichment of probes located in non-coding regions, particularly antisense to known annotations (e.g., introns). For the identification of differentially expressed loci in Alzheimer\\\''s disease, I use a custom expression microarray that was constructed with a novel bioinformatics pipeline. Despite the emergence of more advanced high-throughput methods such as RNA-seq, microarrays still offer some advantages and will remain a useful and accurate tool for transcriptome profiling and expression studies. However, it is non-trivial to establish an appropriate probe design strategy for custom expression microarrays because alternative splicing and transcription from non-coding regions are much more pervasive than previously appreciated. To obtain an accurate and complete expression atlas of genomic loci of interest in the post-ENCODE era, this additional transcriptional complexity must be considered during microarray design and requires well-considered probe design strategies that are often neglected. This encompasses, for example, adequate preparation of a set of target sequences and accurate estimation of probe specificity. With the help of this pipeline, two custom-tailored microarrays have been constructed that include a comprehensive collection of non-coding RNAs. Additionally, a user-friendly web server has been set up that makes the developed pipeline publicly available for other researchers. / Eukaryotische Genome sind typischerweise in Form von Chromatin organisiert, dem Komplex aus DNA und Proteinen, aus dem die Chromosomen im Zellkern bestehen. Chromatin hat lebenswichtige Funktionen in einer Vielzahl von Prozessen, von denen die meisten durch ein komplexes System von kovalenten Modifikationen an Histon-Proteinen ablaufen. Muster dieser Modifikationen sind wichtige Informationsträger, deren Weitergabe über die Zellteilung hinaus an beide Tochterzellen besonders wichtig für die Aufrechterhaltung des Zellzustandes im Allgemeinen und des Transkriptionsprogrammes im Speziellen ist. Die Entdeckung von epigenetischen Vererbungsphänomenen - mitotisch und/oder meiotisch vererbbare Veränderungen von Genfunktionen, hervorgerufen durch Veränderungen an Chromosomen, die nicht auf Modifikationen der DNA-Sequenz zurückzuführen sind - war bemerkenswert, weil es die Hypothese widerlegt hat, dass Informationen an Tochterzellen ausschließlich durch DNA übertragen werden. Die Replikation der DNA erzeugt eine dramatische Störung des Chromatinzustandes, welche letztendlich ein partielles Löschen der gespeicherten Informationen zur Folge hat. Um den epigenetischen Zustand zu erhalten, muss die Zelle Teile der parentalen Muster der Histonmodifikationen durch Prozesse rekonstruieren, die noch immer sehr wenig verstanden sind. Eine plausible Hypothese postuliert, dass die verschiedenen Kombinationen der Lese- und Schreibdomänen innerhalb von Histon-modifizierenden Enzymen lokale Umschreibregeln implementieren, die letztendlich das parentale Modifikationsmuster der Histone neu errechnen. Dies geschieht auf Basis der partiellen Informationen, die in der Hälfte der vererbten Histone gespeichert sind. Es wird zunehmend klarer, dass sowohl Informationsverarbeitung als auch computerähnliche Berechnungen omnipräsent und in vielen Bereichen der Naturwissenschaften von fundamentaler Bedeutung sind, insbesondere in der Zelle. Dies wird exemplarisch durch die zunehmend populärer werdenden Forschungsbereiche belegt, die sich auf computerähnliche Berechnungen mithilfe von DNA und Membranen konzentrieren. Jüngste Forschungen suggerieren, dass sich Chromatin während der Evolution in eine mächtige zelluläre Speichereinheit entwickelt hat und in der Lage ist, eine große Menge an Informationen zu speichern und zu prozessieren. Eukaryotisches Chromatin könnte also als ein zellulärer Computer agieren, der in der Lage ist, computerähnliche Berechnungen in einem biologischen Kontext auszuführen. Eine theoretische Studie hat kürzlich demonstriert, dass bereits relativ simple Modelle eines Chromatincomputers berechnungsuniversell und damit mächtiger als reine genregulatorische Netzwerke sind. Im ersten Teil meiner Dissertation stelle ich ein tieferes Verständnis des Leistungsvermögens und der Beschränkungen des Chromatincomputers her, welche bisher größtenteils unerforscht waren. Ich analysiere ausgewählte Grundbestandteile des Chromatincomputers und vergleiche sie mit den Komponenten eines klassischen Computers, mit besonderem Fokus auf Speicher sowie logische und arithmetische Operationen. Ich argumentiere, dass Chromatin eine massiv parallele Architektur, eine Menge von Lese-Schreib-Regeln, die nicht-deterministisch auf Chromatin operieren, die Fähigkeit zur Selbstmodifikation, und allgemeine verblüffende Ähnlichkeiten mit amorphen Berechnungsmodellen besitzt. Ich schlage deswegen eine Zellularautomaten-ähnliche eindimensionale Kette als Berechnungsparadigma vor, auf dem lokale Lese-Schreib-Regeln auf asynchrone Weise mit zeitabhängigen Wahrscheinlichkeiten ausgeführt werden. Seine Wirkungsweise ist demzufolge konzeptionell ähnlich zu den wohlbekannten Theorien von komplexen Systemen. Zudem hat der Chromatincomputer volatilen Speicher mit einem massiven Informationsgehalt, der von der Zelle benutzt werden kann. Ich schätze ab, dass die Speicherkapazität im Bereich von mehreren Hundert Megabytes von schreibbarer Information pro Zelle liegt, was ich zudem mit DNA und cis-regulatorischen Modulen vergleiche. Ich zeige weiterhin, dass ein Chromatincomputer nicht nur Berechnungen in einem biologischen Kontext ausführen kann, sondern auch in einem strikt informatischen Sinn. Zumindest theoretisch kann er deswegen für jede berechenbare Funktion benutzt werden. Chromatin ist demzufolge ein weiteres Beispiel für die steigende Anzahl von unkonventionellen Berechnungsmodellen. Als Beispiel für eine biologische Herausforderung, die vom Chromatincomputer gelöst werden kann, formuliere ich die epigenetische Vererbung als rechnergestütztes Problem. Ich entwickle ein flexibles Simulationssystem zur Untersuchung der epigenetische Vererbung von individuellen Histonmodifikationen, welches auf der Neuberechnung der partiell verlorengegangenen Informationen der Histonmodifikationen beruht. Die Implementierung benutzt Gillespies stochastischen Simulationsalgorithmus, um die chemische Mastergleichung der zugrundeliegenden stochastischen Prozesse über die Zeit auf exakte Art und Weise zu modellieren. Der Algorithmus ist zudem effizient genug, um in einen evolutionären Algorithmus eingebettet zu werden. Diese Kombination erlaubt es ein System von Enzymen zu finden, dass einen bestimmten Chromatinstatus über mehrere Zellteilungen hinweg stabil vererben kann. Dabei habe ich festgestellt, dass es relativ einfach ist, ein solches System von Enzymen zu evolvieren, auch ohne explizite Einbindung von Randelementen zur Separierung differentiell modifizierter Chromatindomänen. Dennoch ängt der Erfolg dieser Aufgabe von mehreren bisher unbeachteten Faktoren ab, wie zum Beispiel der Länge der Domäne, dem bestimmten zu vererbenden Muster, der Zeit zwischen Replikationen sowie verschiedenen chemischen Parametern. Alle diese Faktoren beeinflussen die Anhäufung von Fehlern als Folge von Zellteilungen. Chromatin-regulatorische Prozesse und epigenetische Vererbungsmechanismen stellen ein komplexes und sensitives System dar und jede Fehlregulation kann bedeutend zu verschiedenen Krankheiten, wie zum Beispiel der Alzheimerschen Krankheit, beitragen. In der Ätiologie der Alzheimerschen Krankheit wird die Bedeutung von epigenetischen und Chromatin-basierten Prozessen sowie nicht-kodierenden RNAs zunehmend erkannt. Im zweiten Teil der Dissertation adressiere ich explizit und auf systematische Art und Weise die zwei Hypothesen, dass (i) ein fehlregulierter Chromatincomputer eine wichtige Rolle in der Alzheimerschen Krankheit spielt und (ii) die Alzheimersche Krankheit eine evolutionär junge Krankheit darstellt. Zusammenfassend finde ich Belege für beide Hypothesen, obwohl es für erstere schwierig ist, aufgrund der Komplexität der Krankheit Kausalitäten zu etablieren. Dennoch identifiziere ich zahlreiche differentiell exprimierte, Chromatin-assoziierte Bereiche, wie zum Beispiel Histone, Chromatin-modifizierende Enzyme oder deren integrale Bestandteile, nicht-kodierende RNAs mit Führungsfunktionen für Chromatin-modifizierende Komplexe oder Proteine, die direkt oder indirekt epigenetische Stabilität durch veränderte Zellzyklus-Regulation beeinflussen. Zur Identifikation von differentiell exprimierten Bereichen in der Alzheimerschen Krankheit benutze ich einen maßgeschneiderten Expressions-Microarray, der mit Hilfe einer neuartigen Bioinformatik-Pipeline erstellt wurde. Trotz des Aufkommens von weiter fortgeschrittenen Hochdurchsatzmethoden, wie zum Beispiel RNA-seq, haben Microarrays immer noch einige Vorteile und werden ein nützliches und akkurates Werkzeug für Expressionsstudien und Transkriptom-Profiling bleiben. Es ist jedoch nicht trivial eine geeignete Strategie für das Sondendesign von maßgeschneiderten Expressions-Microarrays zu finden, weil alternatives Spleißen und Transkription von nicht-kodierenden Bereichen viel verbreiteter sind als ursprünglich angenommen. Um ein akkurates und vollständiges Bild der Expression von genomischen Bereichen in der Zeit nach dem ENCODE-Projekt zu bekommen, muss diese zusätzliche transkriptionelle Komplexität schon während des Designs eines Microarrays berücksichtigt werden und erfordert daher wohlüberlegte und oft ignorierte Strategien für das Sondendesign. Dies umfasst zum Beispiel eine adäquate Vorbereitung der Zielsequenzen und eine genaue Abschätzung der Sondenspezifität. Mit Hilfe der Pipeline wurden zwei maßgeschneiderte Expressions-Microarrays produziert, die beide eine umfangreiche Sammlung von nicht-kodierenden RNAs beinhalten. Zusätzlich wurde ein nutzerfreundlicher Webserver programmiert, der die entwickelte Pipeline für jeden öffentlich zur Verfügung stellt.

Der Systemische Lupus Erythematodes (SLE) ist eine meist schwer verlaufende Autoimmunerkrankung, die jedes Organ betreffen kann. Trotz zahlreicher und intensiver Anstrengungen die Pathophysiologie des SLE aufzuklären, wird sie aktuell nur in ihren Grundzügen verstanden. Eine Vielzahl zellulärer und molekularer Auffälligkeiten wurden in verschiedenen Immunzellen von Patienten mit SLE beschrieben, wobei die gesteigerte Aktivierung von T und B Zellen ist ein Schlüsselmerkmal ist. Verschiedene Auffälligkeiten der T Zell Funktion wurden in den vergangenen Jahren berichtet, unter anderem die gesteigerte Expression und Aktivierung verschiedener Transkriptionsfaktoren, darunter cAMP Responsive Element Modulator (CREM)α und Signal Transducer and Activator of Transcription (Stat)3. Eine Rolle von CREMα bei der Entstehung von Effektor T Zell Phänotypen bei Patienten mit SLE wurde in Studien belegt. Die gesteigerte Expression von CREMα ist (zumindest teilweise) für die gesteigerte Expression von IL-17A und die reduzierte Expression von IL-2 verantwortlich, welche für die Pathogenese und die Entstehung von Gewebeschäden mitverantwortlich sind. Neben gut charakterisierten CD4+ Effektor T Zellen, spielen TCR+CD3+CD4-CD8-, sogenannte „doppelt negative“ (DN) T Zellen, eine Rolle in der Pathophysiologie des SLE. Die Zahl DN T Zellen ist im peripheren Blut von SLE Patienten gesteigert. DN T Zellen infiltrieren entzündete Gewebe, insbesondere die Nieren, wo sie IL-17A exprimieren und zu Gewebeschäden beitragen können. Da DN T Zellen durch den Verlust der Oberflächenexpression des CD8 Co-Rezeptors aus CD8+ T Lymphozyten hervorgehen können, stellte wir die Frage, ob CREMα an diesem Prozess beteiligt ist. In den vorliegenden Studien konnten wir zeigen, dass CREMα an hochkonservierte nichtkodierende Sequenzen des CD8 Gen Clusters bindet und den CD8B Promoter trans-reprimiert. CREMα stellt damit den ersten berichteten Transkriptionsfaktor dar, der zu trans-Repression von CD8 führt. Zudem co-rekrutiert CREMα die DNA Methyltransferase DNMT3a und die Histon Methyltransferase G9a an hochkonservierte nichtkodierende Elemente des CD8 Gen Clusters in CD8+ T Zellen. Hierdurch trägt CREMα zur Chromatinkondensation, folglich reduzierter CD8 Expression und letztendlich der Generierung von DN T Zellen bei. Da die Expression von CREMα sowohl in T Zellen von SLE Patienten als auch in T Zellen von MRL.lrp Mäusen gesteigert ist, könnten die beschriebenen Effekte auf die CD8 Expression eine Rolle für eine Reihe von Autoimmunerkrankungen spielen, die mit einer erhöhten Zahl von DN T Zellen einhergehen (z.B. Patienten mit Autoimmune Lymphoproliferative Syndrome; ALPS). Proteine der Stat Transkriptionsfaktor Familie spielen eine Rolle während der Differenzierung und Aktivierung von Effektor T Zellen. Speziell die Transkriptionsfaktoren Stat3 und Stat5 scheinen für das Gleichgewicht zwischen Th17 Effektor Phänotypen (Stat3) und regulatorischen T Zellen (Stat5) von Bedeutung zu sein. Stat3 spielt eine wichtige Rolle bei der Differenzierung von IL-17A produzierenden CD4+ Th17 Helferzellen, welche eine pathophysiologische Rolle beim SLE spielen. Durch die Aktivierung der Expression weiterer Zytokine (z.B. IL-6, IL-10, und IL-21) in verschiedenen T Lymphozytenpopulationen, sind die Effekte von Stat3 nicht auf die genannten T Helferzellpopulationen beschränkt. Interleukin-10 ist ein immunregulatorisches Zytokin, welches neben seinen anti-inflammatorischen Effekten auch zur Aktivierung von B Lymphozyten und Antikörperproduktion beiträgt. Eine mögliche Pathophysiologische Rolle von IL-10 beim SLE ergibt sich aus gesteigerten IL-10 Serumspiegeln in SLE Patienten und nicht zuletzt aus einer kleinen Kohorte von SLE Patienten, die klinische Besserung nach therapeutischer Blockade von IL-10 erfahren hatte. Wie IL17A, wird auch IL10 durch Transkriptionsfaktoren der Stat Familie kontrolliert. Da die Expression und Aktivierung von Stat3 in T Zellen von SLE Patienten gesteigert ist, untersuchten wir am Beispiel des IL10 Gens Effekte von fehlregulierter Stat Aktivierung. Wir konnten zeigen, dass Stat3 und Stat5 das IL10 Gen durch trans-Aktivierung und die Induktion von epigenetischen Remodeling durch die Co-Rekrutierung von p300 regulieren. Der transkriptionelle Co-Aktivator p300 besitzt Histon Azetyltransferase Aktivität und induziert die „Öffnung“ des IL10 Gens. In T Zellen von SLE Patienten ist die Rekrutierung von Stat3 durch reduzierte DNA Methylierung am proximalen Promoter und einem intronischen Enhancer (I-SRE) erleichtert. Zudem verdrängt Stat3 den Transkriptionsfaktor Stat5 von einem Bindungselement im 4. Intron (I-SRE) des IL10 Gens. Zusammen führen diese Ereignisse zu gesteigerter Expression von IL-10 in T Zellen von SLE Patienten. Da die Aktivierung von Stat3 zu gesteigerter Expression einer Reihe von Zytokinen beträgt und die Stat3 Aktivierung sowohl beim SLE als auch bei anderen Autoimmunerkrankungen gesteigert ist, könnten die beschriebenen Effekte nicht nur auf die Expression von IL-10 in T Zellen von SLE Patienten beschränkt sein. Unsere Beobachtungen unterstreichen das Potenzial fehregulierte Transkriptionsfaktoren, speziell CREMα und Stat3, als Biomarker und/oder therapeutische Ziele beim SLE zu nutzen. Es bleibt jedoch an dieser Stelle noch zu klären, ob CREMα und/oder Stat3 auch Chromatin Remodeling während der physiologischen Generierung von DN oder CD4+ T Helfer Zellen kontrollieren oder ob sie ausschließlich oder zumindest in gesteigertem Maße an der pathologischen Generierung von Effektor T Zellen bei Autoimmunerkrankungen beteiligt sein. Die translationale Bedeutung unserer Beobachtungen wird durch den neuerdings begonnenen Einsatz von JAK/Stat Inhibitoren in der Therapie verschiedener Autoimmunerkrankungen unterstrichen. / Systemic lupus erythematosus (SLE) is a severe autoimmune disease that can affect any organ of the human body. Despite intense efforts towards a better understanding, the pathophysiology of SLE remains largely unknown. A number of cellular and molecular anomalies have been reported in immune cells from patients with SLE, and increased activation of B and T lymphocytes are considered hallmarks of the disease. Several alterations to T cell function and phenotypes have been reported, including the increased expression of the transcription factors cAMP response element modulatorα (CREM α) and signal transducer and activator of transcription 3 (Stat3). A role of CREMα in the generation of effector T cells has been demonstrated. Enhanced expression of CREMα is (at least partially) responsible for increased expression of IL-17A and reduced expression of IL-2 from effector T cells in SLE patients; and altered cytokine expression contributes to the pathophysiology and tissue damage. In addition to well-characterized effector CD4+ T cells, TCR+CD3+CD4-CD8-, so-called “double negative” (DN) T cells, also play a role in the pathophysiology of SLE. Increased numbers of DN T cells in the peripheral blood of SLE patients invade inflamed tissues, including the kidneys, where they produce IL-17A and contribute to tissue damage. Double negative T cells can derive from CD8+ T cells through the down-regulation of CD8 co-receptor expression. Thus, we asked whether CREMα may be involved in this process. In the studies presented here, we demonstrate that CREMα recruits to highly conserved non-coding sequences of the CD8 gene cluster and trans-represses the CD8B promoter. Thus, CREMα is the first reported transcription factor that negatively regulates CD8 expression. Furthermore, CREMα co-recruits DNA methyltransferase (DNMT)3a and histone methyltransferase G9a to highly conserved regions within the CD8 cluster in CD8+ T cells. Through these interactions, CREMα induces chromatin condensation, reduced CD8 expression, and the generation of DN T cells. Since CREMα expression is greater in T cells from SLE patients and lupus-prone MRL.lpr mice, the reported effects may play a role in several autoimmune disorders that are characterized by increased numbers of DN T cells (such as autoimmune lymphoproliferative syndrome; ALPS). Stat family transcription factors play a role during the differentiation and activation of T cells. Particularly Stat3 and Stat5 appear to be of central importance to the balance between effector Th17 phenotypes (Stat3) and regulatory T cells (Stat5). Stat3 is involved in the generation of IL-17A producing CD4+ Th17 cells, which contribute to tissue damage. Through the induction of cytokines other than IL-17A (e.g. IL-6, IL-10, IL-21), effects of Stat3 are not limited to individual T helper cell populations. Interleukin-10 is an immune-regulatory cytokine. In addition to anti-inflammatory effects, IL-10 is involved in the activation of B lymphocytes and induces immunoglobulin production. Increased IL-10 serum levels in SLE patients and a cohort of SLE patients that clinically responded to therapeutic blockade of IL-10 suggest a pathophysiological role for IL-10 in the disease. As with IL17A, the IL10 gene is regulated by Stat transcription factors. Since expression and activation of Stat3 are increased in T cells from patients with SLE, we investigated effects of dysbalanced Stat activation on the IL10 gene. In the presented study, we demonstrate that Stat3 and Stat5 trans-activate IL10 and induce epigenetic remodeling through co-recruitment of p300. The transcriptional co-activator p300 functions as histone acetyltransferase and induced epigenetic “opening” of the IL10 gene. In T cells from SLE patients, recruitment of Stat3 is enhanced by reduced levels of DNA methylation of the proximal promoter and an intronic enhancer, harboring a Stat responsive element (I-SRE). Stat3 replaces the transcription factor Stat5 at I-SRE in a potentially competitive manner. Altogether, these effects result in increased expression of IL-10 in T cells from patients with SLE. Activation of Stat3 induces the expression of a number of cytokines. Since Stat3 activation is enhanced in several autoimmune/inflammatory disorders, including SLE, we concluded that Stat3-mediated effects on gene expression are most likely not limited to just IL-10 expression in SLE. The herewith reported observations suggest high potential for the application of dysregulated transcription factor networks, particularly CREMα and Stat3, as biomarkers and/or molecular targets for future therapeutic interventions in SLE. However, it remains to be investigated whether and to what extent CREMα and/or Stat3 are involved in chromatin remodeling during the physiological generation of DN and CD4+ T helper cell subsets, or whether they contribute exclusively to the generation of effector T cell phenotypes in SLE and other autoimmune/inflammatory disorders. The translational importance of our observations is underscored by the recently initiated application of JAK/Stat inhibitors in the treatment of autoimmune/inflammatory conditions.

Endocrine disrupting chemicals, or EDCs, are some of the most prevalent toxic chemicals found in the environment because of human activity and they have a variety of adverse effects on both humans and wildlife. A proposed mechanism through which EDCs can negatively affect an organism is via an epigenetic mechanism known as DNA methylation, which can affect the development of the organism with negative outcomes later in life. The aim of this project was to investigate the effect of a prenatal exposure to mixture of EDCs, called Mixture N1, and its adverse effects. Mixture N1 has in a previous study been detected in the first semester of mothers, and linked to language delay in the offspring in the SELMA cohort study. We investigated relationships with DNA methylation pattern changes in key genes with exposure, gene expression and behaviour in the adult brains of the exposed mice.  Our results showed correlative as well as linear relationships between methylation and different behavioural outcomes for target genes. One gene in particular - Nr3c1 - stood out among the results, having links to both stress and sociability. Specifically, DNA methylation of this gene correlates to active stress coping behaviours as well as sociability, but with no mediation component in these relationships. These results are promising for the use of methylation analysis as a biomarker of EDC mixture exposure, but more so as a predictor of negative behavioural outcomes later in life. More research could strengthen this use, and uncover the mechanism through which methylation alone might affect changes in behaviour.