Orientadora: Profª. Drª. Neiva Isabel Rodrigues Magdalena / Coorientadores: Profª. Drª. Melissa Rodrigues de Araújo, Prof. Dr. Cassius Torres, Profª. Drª. Sônia Raboni / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências da Saúde, Programa de Pós-Graduação em Saúde da Criança e do Adolescente. Defesa: Curitiba, 05/12/2014 / Inclui referências : f. 88-98 / Área de concentração: hemato-Oncologia e Genética pediátrica / Resumo: A anemia de Fanconi (AF) é uma doença geneticamente herdada de maneira autossômica recessiva caracterizada por fragilidade cromossômica e distúrbios hematológicos associados às malformações congênitas. A doença pode evoluir para anemia aplástica severa em decorrência de falência da medula óssea. Pacientes com AF têm susceptibilidade aumentada para neoplasias de cabeça e pescoço - Carcinoma Espinocelular (CEC), do trato anogenital e da cavidade bucal. Embora o tratamento eficaz para AF seja o transplante de células tronco hematopoiéicas (TCTH), é sabido que o risco de desenvolvimento de neoplasias aumenta progressivamente após o mesmo. Recentemente, o papilomavírus humano (HPV) tem sido considerado como um agente co-carcinogênico e propõe-se a participação do mesmo na carcinogênese em AF. No presente estudo foram realizados anamnese, exame físico da boca e coleta de amostras de células epiteliais bucais por meio de bochechos com solução salina para detecção do HPV por meio da técnica de Polimerase Chain Reaction (PCR) em tempo real. A amostra do estudo (n = 150) foi dividida em três grupos: indivíduos com AF não transplantados (n = 50) e transplantados (n = 50) e indivíduos saudáveis (controle) (n = 50). Houve semelhança entre os grupos em relação à idade, sexo e escolaridade. Os pacientes com AF foram provenientes de 21 estados brasileiros, sendo os de maior frequência: SC (17%), PR e SP (15%) e BA (10%). A doença do enxerto contra hospedeiro (DECH) foi encontrada apenas em pacientes com AF transplantados (6%, p = 0,04). Lesões leucoplásicas foram mais encontradas em pacientes transplantados (10%) do que em pacientes não-transplantados (2%) (p = 0,02) e lesões aftosas apareceram apenas em pacientes não-transplantados (6%) (p = 0,02). Observou-se apenas um caso de HPV de alto risco com genótipo não especificado. Em análise pareada para HPV de alto e baixo risco, selecionou-se 12 pacientes de cada grupo e todos os resultados foram negativos para HPV. Em conclusão, verificou-se maior frequência de lesões bucais nos pacientes com AF, mas não se observou diferença entre pacientes com AF transplantados, não transplantados e controles em relação à frequência de HPV. Palavras-Chave: Anemia de Fanconi; Papilomavírus Humano; Reação em Cadeia da Polimerase; Boca. / Abstract: Fanconi anemia (FA) is usually inherited as an autosomal recessive disorder characterized by progressive pancytopenia, congenital abnormalities and a predisposition to the development of hematological malignancies as well as squamous cell carcinoma of head and neck and anogenital region. Whereas effective treatment for the hematological complications of FA is hematopoietic stem cell transplantation (HSCT), it is also known that the risk of developing cancer increases progressively thereafter. Recently, the human papillomavirus (HPV) has been considered as a co-carcinogen agent and could be involved in the carcinogenesis of FA. In the present study we performed anamnesis and physical examination of the mouth and we also collected samples of oral epithelial cells by gargling with saline for HPV detection by the polymerase chain reaction technique (PCR) in real time. The study sample (n = 150) were divided into three groups: nontransplanted patients with FA (n = 50) and transplanted patients with FA (n = 50) and healthy individuals (controls) (n = 50). There was no difference between the groups regarding age, sex and levels of education. Patients with FA were from 21 Brazilian states, with the highest frequency as follows: States of Santa Catarina (17%), Parana and Sao Paulo (15%) and Bahia (10%). There was no difference in the frequency of caries and gingivitis among study groups (p > 0.05). The identification of Graft versus host disease (GVHD) was found only in transplanted FA patients. Leukoplakic lesions (p = 0.02) were found more frequently in transplanted patients (10%) than non-transplanted patients (2%) and aphthous lesions appeared only in non-transplant patients (6%) (p = 0.02). It was found only one case of high-risk HPV genotype unspecified. In paired analysis for HPV high and low risk, we selected 12 patients in each group and all results were negative for HPV. In conclusion, A higher frequency of oral lesions were identified in patients with FA but no difference was observed between transplanted , non transplanted patients and healthy controls regarding the presence of HPV. Keywords: Fanconi Anemia; Human Papillomavirus; Polymerase Chain Reaction; Mouth.

Submitted by Amanda Silva (amanda.osilva2@ufpe.br) on 2015-03-03T14:35:25Z No. of bitstreams: 2 DISSERTAÇÃO SUELEN CRISTINA DE LIMA.pdf: 5986222 bytes, checksum: 679d57cd1651e5c141d03a5aa0e9f8cc (MD5) license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-03-03T14:35:25Z (GMT). No. of bitstreams: 2 DISSERTAÇÃO SUELEN CRISTINA DE LIMA.pdf: 5986222 bytes, checksum: 679d57cd1651e5c141d03a5aa0e9f8cc (MD5) license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Previous issue date: 2013 / CNPq / A Anemia de Fanconi (AF) é uma síndrome genética essencialmente autossômica recessiva, caracterizada clinicamente por anormalidades congênitas, alterações hematológicas e suscetibilidade aumentada ao câncer. Ao nível celular, indivíduos portadores desta síndrome apresentam acentuada fragilidade cromossômica, resultante de falhas no sistema de reparo a lesões no DNA, o que lhes confere hipersensibilidade a agentes clastogênicos. Para o diagnóstico laboratorial, costumase avaliar as alterações cromossômicas induzidas em linfócitos do sangue periférico por agentes químicos, tais como: Diepoxibutano (DEB) e Mitomicina C (MMC). Contudo, a utilização destes agentes para fins de diagnóstico possui uma série de restrições no que se refere à sua obtenção, transporte, manipulação e descarte. Neste contexto, a Radiação Ionizante (RI) surge como um agente clastogênico alternativo ao uso do DEB, tendo em vista que oferece menores riscos em termos de biossegurança e ao meio ambiente. Desta forma, o objetivo deste trabalho foi investigar o uso da RI em linfócitos de sangue venoso periférico (SVP) para diagnostico da AF. Para padronização da metodologia de análise, avaliaram-se primeiramente diferentes níveis de dose de irradiação, utilizando-se acelerador linear (taxa dose 200 cGy/min), e tempos de cultivo celular distintos, em amostras de SVP de pacientes previamente diagnosticados positivos para AF. Em seguida, dois grupos de indivíduos foram estudados: Grupo N formado por 5 indivíduos normais e Grupo P composto por 9 pacientes suspeitos de serem portadores de AF. Cada amostra individual de SVP foi separada em duas alíquotas, sendo uma irradiada e a outra não exposta à radiação. Após cultura de linfócitos, para cada alíquota, foram contabilizadas as alterações cromossômicas observadas em 200 metáfases. Os resultados indicaram três dos nove pacientes como portadores da Anemia de Fanconi (AF+), enquanto para os demais pacientes a metodologia definida nesta pesquisa os diagnosticou negativamente (AF-). Todos os indivíduos caracterizados como AF+, através da metodologia estabelecida neste trabalho, foram também diagnosticados como portadores da AF pelo teste DEB (padrão ouro). Diferenças estatisticamente significativas, ao nível de 5%, foram encontradas entre as alterações cromossômicas apresentadas pelos indivíduos dos grupos N e P (AF+), indicando que a metodologia estabelecida nesta pesquisa permite diferenciar pacientes portadores da AF de indivíduos normais. Os resultados desta pesquisa sugerem o uso da RI como ferramenta para diagnóstico de portadores da Anemia de Fanconi, contribuindo para a disponibilização de uma metodologia alternativa, mais acessível e de igual eficácia em relação àquela atualmente empregada no Brasil para o diagnóstico desta doença.

Thesis (Ph. D.)--Cornell University, May, 2009. / Vita. Includes bibliographical references.

Thesis (Ph. D.)--University of Virginia, 2008. / Title from title page. Includes bibliographical references. Also available online through Digital Dissertations.

Unter Fanconi Anämie versteht man eine rezessiv vererbbare Multisystem-Erkrankung, die einhergeht mit erhöhter spontaner Chromosomenbrüchigkeit, sowie erhöhter Anfälligkeit für toxische Substanzen, wie Mitomycin C (MMC) oder Diepoxybutan (DEB).Gentherapeutische Versuche scheitern bei FA letztlich daran, dass bei fortgeschrittener aplastischer Anämie (= Knochenmarkversagen) die Gewinnung der zur erfolgreichen Transduktion erforderlichen Mengen an CD34 positiven Stamm-Blutzellen schwierig bis unmöglich ist. Die Fortschritte bei den Fremdspender-Transplantationen lassen erwarten, dass zukünftig nahezu alle FA-Patienten mit dieser Therapieform mit guten Erfolgsaussichten behandelt werden können. Insofern ist auch zu erwarten, dass die Option einer somatischen Gentherapie - trotz vielversprechenden Ergebnissen - zukünftig wieder an Bedeutung verlieren wird. / Fanconi anemia (FA) is an inherited autosomal recessive disease, which is accompanied by increased spontaneous chromosomal breackage, and increased susceptibility to DNA-crosslinking agents such as mitomycin C (MMC) or diepoxybutane (DEB).There are various treatment options to improve life expectancy and quality of life of Fanconi anemia patients. Therapeutic options include administration of androgens or growth factors, hematopoietic stem cell transplantation (HSCT), but also somatic gene therapy. Gene therapy experiments at FA fail in advanced aplastic anemia (bone marrow failure) because getting the necessary quantities of CD34 positive blood stem cells for successful transduction is difficult, if not impossible. With further improvements, HSCT will become the treatment of choice, even though this does not eliminate the life-long thread of solid tumors in FA-patients.

Die Fanconi Anämie (FA) stellt eine sowohl genetisch als auch phänotypisch äußerst heterogene, autosomal rezessiv und X-chromosomal vererbte Erkrankung dar. Sie ist gekennzeichnet durch chromosomale Instabilität, ein chronisch progredientes Knochenmarkversagen, multiple kongenitale Fehlbildungen und eine Prädisposition zu diversen Neoplasien. Auf zellulärer Ebene ist die FA durch eine erhöhte spontane Chromosomenbrüchigkeit sowie einer Hypersensitivität gegenüber DNA-schädigenden Agenzien charakterisiert. Bislang konnten 13 Komplementations-gruppen (FA-A bis FA-N) und ihre jeweiligen Gene identifiziert werden. Die FA-Proteine spielen eine wichtige Rolle bei der Reparatur von DNA-Doppelstrang-brüchen. Die breite genetische Heterogenität der Fanconi Anämie und die große Anzahl privater Mutationen, aufgrund derer kaum interindividuelle Vergleiche möglich sind, erschweren eine Genotyp-Phänotyp Korrelation ebenso wie der compound-heterozygote Mutationsstatus vieler FA-Patienten. Bisherige Untersuchungen weisen darauf hin, dass die Art der jeweiligen Mutation einen größeren Einfluß auf die phänotypische Ausprägung der Erkrankung hat als die Art des betroffenen Gens. Zusätzlich zeichnet die Fanconi Anämie eine große phänotypische Variabilität aus, die sich in höchst unterschiedlichen Krankheitsausprägungen und –verläufen äußert. Um aussagekräftige Genotyp-Phänotyp Korrelationen etablieren zu können, bedarf es einer ausreichenden Anzahl von FA-Patienten, bei denen sowohl die Komplementationsgruppe als auch die zugrunde liegende Mutation eindeutig definiert wurden. In der vorliegenden Arbeit wurden exemplarisch die Krankheitsverläufe einiger Patienten (4 x FA-A, 1 x FA-B, 3 x FA-C, 1 x FA-D2 und 2 x FA-G) analysiert und mit den jeweiligen molekulargenetischen Befunden korreliert. Im Anschluss daran wurden in der Literatur beschriebene Genotyp-Phänotyp Korrelationen erläutert, verschiedene Mechanismen der phänotypischen Variabilität dargestellt und abschließend prägnante Kasuistiken nochmals hervorgehoben. / Fanconi anemia (FA) is an autosomal recessive disorder that is defined by cellular hypersensitivity to DNA crosslinking agents, and is characterized by the variable presence of congenital malformations, progressive bone-marrow failure, and predisposition to leukemia and solid tumors. There are at least different 13 complementation groups. FA genes are thought to play an important role in the removal of DNA interstrand crosslinks. Genotype-phenotype correlations are further complicated by the obvious heterogeneity of the mutational spectrum within each FA gene, the private character of mutations and the high prevalence of compound heterozygosity. Studies so far indicate that the nature of the underlying mutation is more important than the underlying complementation group. Furthermore there is a wide variation of phenotypes. Clinical course and severity of FA vary strongly between and even within families. Any definite conclusion about genotype-phenotype correlation needs a sufficient number of FA patients whose underlying complementation group and mutation has been identified and whose clinical course has been analysed equally. The present dissertation represents a first step in this direction.

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.

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.

Fanconi Anämie (FA) gehört zu den seltenen Chromsomeninstabilitäts-Syndromen. Ursächlich für die Erkrankung sind biallelische Mutationen mit autosomal rezessiver Vererbung in einem der bisher bekannten 21 Genen (FANCA, -B, -C, -D1, -D2, -E, -F, -G, -I, -J, -L, -M, -N, -O, -P, -Q, -R, -S, -T, -U und –V). Eine Ausnahme stellen FANCB und FANCS dar, die X-chromosomal rezessiv bzw. mit einem dominant negativen Effekt vererbt werden. Die Genprodukte sind als Teil des FA/BRCA-DNA-Reparatur Netzwerks bei der Beseitigung von DNA-Interstrang-Quervernetzungen (ICL) involviert. ICLs führen zu einer Stagnation der Replikationsgabel und blockieren somit wichtige zelluläre Prozesse wie Replikation und Transkription, sodass eine Aufrechterhaltung der Genomstabilität nicht mehr gewährleistet ist. FA ist gekennzeichnet durch angeborene Fehlbildungen, fortschreitendes Knochenmarkversagen und eine erhöhte Prädisposition gegenüber Krebserkrankungen. Die Diagnose basiert auf phänotypischen Auffälligkeiten und wird auf zellulärer Ebene durch die Hypersensititvät gegenüber DNA-quervernetzenden Substanzen wie Mitomycin C (MMC) bestätigt. Da nicht jeder Patient einer bisher bekannten Komplementationsgruppe zugeordnet werden kann und herkömmliche molekulare Diagnostikverfahren mit der steigenden Anzahl an FA-Genen mühsam, zeitaufwändig und teuer geworden sind, war es nötig, neue molekulare Verfahren wie Whole Exome Sequencing (WES) zu etablieren. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Potential dieser Methode im Bezug auf die FA-Genotypisierung erforscht. Bei der Suche nach einer optimalen Anwendung des WES, untersuchten wir verschiedene Anreicherungs- und Sequenziertechniken. Dennoch führen Fehler in den Datenbanken sowie Pseudogene zu falschen Dateninterpretationen und –darstellungen und stellen somit eine Herausforderung dar. Trotzdem zeigen unserer Daten, dass WES eine wertvolle Methode in der Molekulardiagnostik von FA ist. Dies bestätigte sich durch die Zuordnung mehrerer, vorher unklassifizierter FA-Patienten zu den bekannten Komplementationsgruppen und der Ergänzung eines siebten Patienten zum Subtyp FA-P, im Rahmen von zwei Next Generation Sequencing (NGS) Publikationen. Außerdem wurden mit Hilfe von WES zwei neue FA-Gene (FANCQ und FANCW) im Rahmen dieser Arbeit gefunden, wobei XPF (FANCQ) das erste Gen überhaupt war, welches anhand von NGS detektiert wurde. ERCC4/XPF ist eine strukturspezifische Endonuklease, die durch ein Gen kodiert wird, welches bereits vorher mit den Krankheiten Xeroderma Pigmentosum (XP) und dem segmentalen XFE progeroid Syndrom in Verbindung gebracht wurde. Unsere Daten zeigen, dass abhängig von der Mutation in XPF, Patienten eine der drei unterschiedlichen Funktionsstörungen aufweisen. Dies hebt die multifunktionale Stellung der XPF Endonuklease im Rahmen der Genomstabilität und von humanen Erkrankungen hervor. Das zweite Gen, das während dieser Arbeit entdeckt wurde, ist die WD40-Domäne tragende E3 Ubiquitin Ligase RFWD3, die kürzlich mit DNA Reparatur und insbesondere HR verknüpft wurde. Wir konnten zeigen, dass eine RFWD3 Mutation in der WD40-Domäne bei einem FA-Patienten mit der genetischen Erkrankung Fanconi Anämie assoziiert ist. Die HR ist in RFWD3 (FANCW) mutierten Zellen gestört, was auf einer verminderten Relokalisation von mutiertem RFWD3 an das Chromatin und einer defekten Interaktion mit RPA beruht. Des Weiteren weisen Rfwd3 defiziente Mäuse typische Merkmale anderer FA-Mausmodelle auf, wie verminderte Fertilität, ovarielle und testikuläre Atrophie sowie eine reduzierte Lebenserwartung. Insgesamt zeigt diese Arbeit, dass neue molekulare Ansätze wie NGS ein wertvolles Hilfsmittel in der FA-Diagnostik sind um bisher unklassifizierte Patienten einer Komplementationsgruppe zuordnen zu können. Zudem konnten mit Hilfe dieser Technik zwei neue Gene identifiziert werden. Deren Charakterisierung trägt zu einer Vervollständigung und weiteren Aufklärung des FA/BRCA-DNA-Reparatur-Netzwerks bei. / Fanconi anemia (FA) is a rare genomic instability syndrome. Biallelic mutations are disease causing in any one of at least 21 genes (FANCA, -B, -C, -D1, -D2, -E, -F, -G, -I, -J, -L, -M, -N, -O, -P, -Q, -R, -S, -T, -U and -V). All are inherited in an autosomal recessive way, except FANCB and FANCS, which are inherited in a X-chromosomal recessive and a dominant negative way, respectively. The gene products are involved in the FA/BRCA DNA damage response pathway to remove interstrand-crosslinks (ICL). ICLs cause stalled replication forks and hence block crucial cellular processes like replication and transcription resulting in decreased maintenance of genome stability. FA is characterized by congenital malformations, progressive bone marrow failure (BMF), and susceptibility to malignancies. Patients are diagnosed based upon phenotypical manifestations and the diagnosis of FA is confirmed by the hypersensitivity of cells to DNA interstrand crosslinking agents such as Mitomycin C (MMC). Since not every patient can be assigned to a complementation group and customary molecular diagnostics has become increasingly cumbersome, time-consuming and expensive the more FA genes have been identified new molecular approaches like Whole Exome Sequencing (WES) has been established. The potential of this method for FA genotyping has been investigated in the context of this thesis. By exploring different enrichment and sequencing techniques, we were able to identify the pathogenic mutations in each case using WES. However, database errors and pseudogenes pose challenges to interpret data correctly. Nevertheless our results show that WES is a valuable tool for molecular diagnosis of FA, since we were able to assign several previously unclassified FA patients to known complementation groups in the framework of two Next Generation Sequencing (NGS) studies. In addition WES revealed two new FA-genes, XPF and RFWD3. Extraordinarily, XPF (FANCQ) is the first gene to be detected with NGS. ERCC4/XPF is a structure specific nuclease - encoding a gene previously connected to xeroderma pigmentosum (XP) and segmental XFE progeroid syndrome. Depending on the type of ERCC4 mutation individuals present with one of the three clinically distinct disorders highlighting the multifunctional nature of the XPF endonuclease in genome stability and human disease. The second gene identified within this thesis is the WD40-containing E3 ubiquitin ligase RFWD3, which has been recently linked to the repair of DNA damage by Homologous Recombination (HR). Here, we show that an RFWD3 mutation within the WD40 domain of a patient with typical FA malformations is connected to the genetic disease Fanconi anemia (FA). Disordered HR is the result of depleted relocation of mutant RFWD3 to chromatin and defective physical interaction with RPA. In addition, Rfwd3 knockout mice show ovarian and testicular atrophy, a reduced life span and pups with sub-Mendelian birth ratios indicating embryonal-lethality. These features resemble other FA mouse models. In summary, this work showed that new molecular approaches like WES are valuable tools for FA diagnosis. Additionally, this method is a useful medium to assign FA patients to so far unknown complementation groups. Two novel genes have been identified and contribute to further completion of the FA/BRCA DNA repair network in the context of genome stability.

Ataxia telangiectasia: Identifizierung und Charakterisierung nicht-konservativer Spleißmutationen und deren Auswirkungen im ATM-Gen. Ein hoher Anteil der bisher im ATM-Gen identifizierten Mutationen (>350, www.vmresearch.org/atm.htm) stellt Deletionen oder Insertionen direkt an den Exongrenzen dar; viele dieser Aberrationen wurden allerdings nur auf cDNA-Ebene detektiert. Sollte es sich hierbei in den meisten Fällen um Mutationen an den Spleiß-Konsensussequenzen handeln, läge der Anteil der Spleißmutationen im ATM-Gen beträchtlich höher (~35 Prozent) als in anderen betroffenen Genen (~15 Prozent). Um der Frage nachzugehen, ob im ATM-Primärtranskript aufgrund einer erhöhten Labilität gegenüber Spleißmutationen auch Veränderungen weniger konservierter Positionen innerhalb der Donor- oder Akzeptor-Spleißstellen zu aberrantem Spleißen führen, wurden 20 AT-Zellinien mittels „Protein Truncation Test“ nach Deletionen oder Insertionen an den Exongrenzen durchsucht. Die 7 neu identifizierten Spleißmutationen wurden anschließend unter Verwendung eines „Splice Scoring“- Systems näher charakterisiert, die Penetranz der jeweiligen Mutation durch semiquantitative PCR evaluiert und die Auswirkungen auf Proteinebene durch Western Blotting überprüft. Obwohl nur eine der 7 neu identifizierten Spleißmutationen eine schwächer konservierte Position der Spleißsequenzen betraf, konnten im Rahmen einer Kooperation mit der Medizinischen Hochschule Hannover (Arbeitsgruppe Dr. T. Dörk) weitere Spleißmutationen an den Intronpositionen +3, +5 und -6 identifiziert werden, die ebenfalls in völlig aberrantem Spleißen resultieren. Daten weiterer Arbeitsgruppen lassen vermuten, daß tatsächlich ~ 50 Prozent aller Spleißaberrationen im ATM-Gen auf Mutationen außerhalb der konservierten Dinukleotidbereiche (gt und ag) zurückführen sind. Nijmegen Breakage Syndrom (NBS): Suche nach Genen, die einen NBS-ähnlichen Phänotyp auslösen. Über 90 Prozent aller NBS-Patienten tragen Mutationen im NBS1-Gen, dessen Translationsprodukt im Komplex mit MRE11 und RAD50 eine zentrale Rolle in DNA-DSB-Reparatur und Zellzykluskontrolle spielt. Weitere Mutationen bei Patienten mit NBS-ähnlichem Phänotyp wurden im Gen der DNA-Ligase IV identifiziert, die zusammen mit weiteren Angehörigen des NHEJ-Reparaturweges (XRCC4, DNA-PKcs, Ku70, Ku80) ebenfalls in DNA-DSB-Reparatur involviert ist. Zellen von Patienten mit NBS-ähnlichem Phänotyp wurden daher durch direkte Sequenzierung und/oder Western Blotting auf Defekte in den oben genannten Genen/Proteinen untersucht. In einem parallel durchgeführten unabhängigen Mutationsscreening (Medizinische Hochschule Hannover, Arbeitsgruppe Dr. T. Dörk) wurden in Fibroblasten einer Patientin mit NBS-ähnlichem Phänotyp Mutationen im RAD50-Gen identifiziert. Die Auswirkungen der RAD50-Defizienz auf die zelluläre Lokalisation der beiden Komplexpartner NBS1 und MRE11 sowie deren Fähigkeit zur Focibildung nach DNA-Schädigung wurde im Rahmen dieser Arbeit durch Immunfluoreszenzstudien untersucht: während NBS1 vorwiegend nukleäre Lokalisation aufwies, war MRE11 zu etwa gleichen Anteilen zwischen Nukleus und Zytoplasma verteilt; beide Proteine waren nach Bestrahlung der Zellen nicht mehr zur Focibildung fähig. Da in MRE11-defizienten Zellen keine nukleäre NBS1-Lokalisation beobachtet wird, scheint der Kerntransport des NBS1 von funktionellem MRE11, nicht aber von RAD50 abhängig zu sein. Fanconi Anämie (FA): Untersuchung einer möglichen Verbindung zwischen den FA-Proteinen und der RAD51-Familie. FA-Zellen aller bisher bekannter Komplementationsgruppen zeichnen sich durch Hypersensitivität gegenüber DNA-„interstrand crosslinks“ (ICLs) aus, zu deren Behebung u.a. die homologe Rekombinationsreparatur (HRR) eingesetzt wird, bei der das RAD51(A)-Protein eine zentrale Rolle spielt. Aufgrund schwacher Homologien werden 5 weitere Proteine (RAD51B, C, D, XRCC2 und 3) der RAD51-Familie zugeordnet. Da Knockout-Zellinien aller RAD51-Familienmitglieder ebenfalls hohe Sensitivität gegenüber ICLs aufweisen, wurde eine mögliche Verbindung zwischen den FA-Proteinen FANCA, C, G und der RAD51-Familie getestet. Unter Verwendung des "Yeast Two Hybrid" (Y2H)-Systems konnten zunächst mehrere Interaktionen zwischen FA- und RAD51-Proteinen detektiert werden. Zur Bestätigung einer funktionellen Verbindung wurden die FA- und RAD51-Proteine in humanen 293-Zellen überexprimiert. Aufgrund der focibildenden Eigenschaften des RAD51-Proteins wurden die FA-Proteine und die RAD51-Familie auf Focibildung nach DNA-Schädigung sowie etwaige Kolokalisationen getestet; mögliche physikalische Interaktionen wurden durch Koimmunpräzipitationsstudien überprüft. Die RAD51-Familie zeigten keinerlei Focibildung nach DNA-Schädigung während die FA-Proteine in einigen Experimenten eine Lokalisation in nukleäre Foci zeigten, die sich jedoch in Größe und Homogenität deutlich von denen klassischer DNA-Reparaturfoci unterschieden und nicht mit RAD51 kolokalisierten. Die häufige Beschränkung der FA-Foci auf Bereiche besonders dicht gepackten Chromatins kann möglicherweise als weiterer Hinweis auf die postulierte Rolle der FA-Proteine bei Chromatin Remodelling Mechanismen interpretiert werden. Bei Überexpression in HEK293-Zellen konnte keine der im Y2H-System identifizierten Interaktionen zwischen FA- und RAD51-Proteinen durch Koimmunpräzipitationen detektiert werden. Dennoch erscheinen seit der Identifizierung des FANCD2, das durch den FA-Komplex aktiviert wird und mit dem RAD51-Interaktor BRCA1 in nukleäre Foci kolokalisiert, weitere Untersuchungen einer Verknüpfung der FA-Proteine mit den Angehörigen des HRR-Weges durchaus sinnvoll. / Ataxia telangiectasia: Identification and characterization of mutations at non-conserved splice positions within the ATM gene. Since the identification of ATM, more than 350 different mutations have been identified (www.vmresearch.org/atm.htm) with an unusual frequency of exon skipping or deletions/insertions at the exon boundaries. Although in many studies only the observed aberrations in cDNA were reported, they presumably represent splice mutations. These findings suggest that the rate of splicing defects in the ATM gene may be substantially higher than that reported for other human genetic disorders. In order to investigate this phenomenon, we have asked the question whether the high frequency of splice mutations in the ATM gene might be caused by an increased liability of the ATM transcript towards mutations at less conserved positions within the splice site consensus sequences. Mutation screening of 20 AT cell lines using the protein truncation test revealed 10 different splice mutations, seven of which had not been reported previously. A splice scoring system was used to estimate the penetrance of each mutation. Potentially leaky splicing was evaluated by semiquantitative PCR. The implications of each mutation on the protein level were investigated by western blotting. One out of seven new splice mutations was positioned at a less conserved consensus site. Furthermore, in cooperation with the Medizinische Hochschule Hannover (group of Dr. T. Doerk), point mutations at intron positions +3, +5 and –6 were identified, each resulting in completely aberrant splicing. In addition, there is accumulating evidence from other studies that indeed ~50 per cent of splice mutations in the ATM gene are positioned outside the highly conserved donor or acceptor dinucleotides, gt or ag, respectively. Nijmegen breakage syndrome (NBS): Search for genetic defects resulting in an NBS- or NBS-like phenotype. More than 90 per cent of NBS patients carry mutations in the NBS1 gene. The NBS1 protein, in a complex with MRE11 and RAD50, is known to be involved in DNA DSB repair via NHEJ and cell cycle control. In cells from patients with an NBS-like phenotype, defects in another component of the NHEJ pathway, DNA ligase IV, have been identified very recently. Therefore, mutation screening in genes known to be involved in NHEJ (NBS1, MRE11, RAD50, DNA ligase IV, XRCC4, DNA-PKcs, Ku70, Ku80) was carried out in cell lines from NBS-like patients using direct sequencing and/or western blotting. In one of these cell lines, an independently performed screening at the Medizinische Hochschule Hannover (group of Dr. T. Doerk) revealed two mutant alleles of the RAD50 gene. In the present work, the cellular RAD50-deficient phenotype was characterized in response to induced DNA damage. In contrast to normal controls, the RAD50-deficient fibroblasts were not able to form IR-induced foci. Localization of NBS1 was still predominantly nuclear, whereas MRE11 was distributed equally between nucleus and cytoplasm. In contrast, MRE11-deficient cells do not show much nuclear localization for NBS1, suggesting that the nuclear localization of NBS1 depends on functional MRE11, but not on the presence of RAD50. Fanconi anemia (FA): Are the FA proteins linked to DNA DSB repair via the RAD51 family? FA cells of all complementation groups are hypersensitive towards DNA interstrand crosslinks (ICLs). Removal of ICLs includes the generation of a DNA DSB. Their repair is then presumably carried out by the homologous recombination (HRR) pathway, an essential component of which is the RAD51 protein. Due to weak homologies five other proteins have been assigned to the RAD51 family (RAD51B, C, D, XRCC2 and 3). Strikingly, knockout mutants of all RAD51 paralogs also show high sensitivity to ICL-inducing agents. In order to investigate a possible connection between the FA pathway and the RAD51 family, the yeast two-hybrid system was used to test for any interactions between the FA proteins FANCA, C, G and the RAD51 family members. Several interactions were detected. Further characterization was done by study of nuclear foci and immunoprecipitation. FA and RAD51 proteins were overexpressed in human 293 cells. Since RAD51 localizes into nuclear foci after DNA damage, FA proteins and RAD51 paralogs were tested for their ability to (co-) localize into nuclear foci after MMC-treatment. Whereas none of the RAD51 paralogs showed nuclear foci formation, in some experiments FA proteins moved into nuclear speckles following DNA damage. However, size and homogeneity of DNA damage-induced FA speckles was quite different from those formed by „classical“ DNA repair proteins; in addition, no colocalization was seen with foci containing RAD51. Notably, FA speckles were often restricted to sites of very tightly packed chromatin, again suggesting a role of the FA-proteins in chromatin remodelling mechanisms. To identify any physical interaction between FA proteins and the RAD51 family, coimmunoprecipitation studies (Co-IPs) were carried out, after overexpression in HEK293 cells. Whereas the reported interaction between FANCA and FANCG could repeatedly be shown, no Co-IP was detected for any combination of an FA protein with a member of the RAD51 family. However, since the identification of FANCD2, a connection between the FA pathway and RAD51 seems all the more plausible: following DNA damage FANCD2 colocalizes with BRCA1, which itself is closely associated with RAD51. Further studies will be necessary in order to unravel the way by which the FA proteins might interact with conserved DNA repair mechanisms like the HRR pathway.