Die Hämophilie A ist mit einer Inzidenz von 1:5000-1:10000 bei männlichen Neugeborenen die häufigste genetisch bedingte Form einer schweren Blutungsneigung. In Deutschland leben zur Zeit ca. 6000 Hämophilie-A-Patienten. Das klinische Erscheinungsbild, die verschiedenen Phänotypen dieser Erkrankung werden durch ein defektes oder ein gar nicht vorhandenes FVIII-Protein, kodiert durch das FVIII-Gen, festgelegt. Zielsetzung der Arbeit war ein Mutationsprofil für schwere und nicht schwere Hämophilie zu erstellen. Die ermittelten Daten sollten der internationalen Datenbank HAMSTeRS und der kürzlich erschienenen Arbeit von Dr. J. Schröder gegenübergestellt werden. Zudem sollten wissenschaftlich interessante Zusammenhänge wie Verteilung der Mutation im FVIII-Gen und Mutationshotspots untersucht werden. Kennt man die Ursache der Mutation, kann man sich aufgrund bisheriger Erkenntnisse eine Vorhersage über den Krankheitsverlauf, wie Schweregrade und Hemmkörperentwicklung erlauben. Die Daten wurden mittels Microsoft Access verarbeitet. Diese Studie umfasste 1492 Hämophilie-A-Patienten. Bei 1422 (95,3%) konnte die krankheitsauslösende Mutation gefunden werden. Die häufigste Mutation bezogen auf alle Patienten war die Missensemutation mit 38,4% gefolgt von der Intron-22-Inversion mit 20,7%. Bezüglich der Schweregrade war die Intron-22-Inversion die häufigste Ursache (47,1%) einer schweren Verlaufsform der Hämophilie und die Missensemutation die häufigste Ursache (93%) der leichten Form der Hämophilie. 18,1% der Patienten mit schwerer Hämophilie entwickelten einen Hemmkörper. Es wurden 3 Hotspots gefunden, von denen die Intron-22-Inversion mit 29,7% den grössten Anteil ausmacht, gefolgt von den Mutationen an den CpG-Diknukleotiden mit 16,8% und kleinen Deletionen/Insertionen an Adenin Folgen mit 3,5%. Verglichen mit HAMSTeRS entsprachen unsere Ergebnisse, bis auf die Stopmutationen, relativ gleichmässig denen der internationalen Datenbank. Auch die Korrelation Genotyp-Phänotyp stimmte fast immer zu ca. 90% oder mehr als 90% überein. Wie zu erwarten entsprach unser Mutationsprofil auch dem der Arbeit von Dr. Schröder. Einzig die Intron-1-Inversion trat in unserer Studie häufiger auf, was an der Einführung der Intron-1-PCR als neue Screeningmethode liegt. Die Verteilung der Schweregrade korrelierte auch mit Dr. Schröders Arbeit. Das Aufstellen von Mutationsprofilen hat zum besseren Verständnis der Ätiologie und zum Krankheitsverlauf der Hämophilie A beigetragen. Die systematische Erfassung aller Krankendaten erleichtert dem Gesundheitswesen eine bessere Planung für die Bereitstellung von Mitteln für die Hämophilie. Im Einzelnen betrifft dies: Beratungstermine für schon betroffene Überträgerinnen, wie auch pränatale Diagnostik, allgemeine Konduktorinnendiagnostik, sowie psychische Beratung und Unterstützung. Für die Hämophiliepatienten bedeutet dies eine Verbesserung der Therapie und eine bessere Vorhersage bezüglich der Hemmkörperentwicklung. / In Germany there are living about 6000 people with hemophilia. The reason for this is a defect or a non working FVIII protein. The aim of this study was to create a mutation profile for severe and non severe hemophilia. The raised data should be compared to the international data base HAMSTeRS and the previously published study by Dr. J. Schröder. Scientific interesting correlation should be turned attention to, e.g. mutation hotspots and distribution of the mutation in the FVIII gene. In this study 1492 patients were included. We found a mutation in 1422 patients (95.3%). The most commom mutation was the missense mutation (38.4%), followed by the intron-22-inversion (20.7&). Concerning severity intron-22-inversion was the most common mutation found. 18.1% of the patients with severe hemophilia developed FVIII-inhibitors. Three hotspots were found: the intron-22-inversion, mutations at the CpG dinucleotids and small deletions/insertions in poly-A-stretches. Compared to HAMSTeRS we found rather equal results, there was also a good relation to the study of Dr. Schröder.

Bei einem kleinen Prozentsatz (2–3 %) aller molekulargenetisch untersuchten Hä-mophilie-A-Fälle konnte bislang keine kausale Mutation innerhalb der F8-Gen-Region aufgedeckt werden. Die molekularen Ursachen der Hämophilie dieser Patienten sollten im ersten Teil der vorliegenden Doktorarbeit mittels zusätzlicher Methoden aufgeklärt werden. Bei zwei Patienten mit milder Hämophilie A konnte je ein Basenaustausch im Promotorbereich des F8-Gens identifiziert werden. Um die Kausalität dieser Austausche zu überprüfen, wurden für diese und zwei weitere bereits publizierte Promotor-Mutationen Luciferase-Assays durchgeführt. Diese Ergebnisse machten deutlich, dass die nachgewiesenen Promotor-Mutationen die Aktivität des Promotors deutlich herabsetzen und daher als ursächlich einzustufen sind. Weiterhin wurden die übrigen Patienten auf epigenetische Veränderungen in fünf CpG-Inseln im 5’UTR und Intron 1 des F8-Gens untersucht. Hierbei konnten bei drei Patienten auffällige Methylierungsmuster nachgewiesen werden, wobei diese auf ein Klinefelter-Syndrom und genomische Veränderungen im Intron 1 zurückzuführen sind, nicht jedoch auf einen aberranten Methylierungsstatus, der die FVIII-Expression beeinflussen könnte. Mit Hilfe von mRNA-Untersuchungen konnten bei vier Patienten mit mutmaßlichen F8-Spleißmutationen aberrante F8-Transkripte nachgewiesen werden und somit die Kausalität der Mutationen geklärt werden. Des Weiteren wurden aus der Literatur alle bisher als kausal identifizierten stillen Mutationen und Spleißmutationen zusammengestellt, um mit diesen Ergebnissen die Spleißvorhersage-Software Alamut zu validieren. Die große Mehrzahl (78 %) der Spleißvorhersagen stimmte mit den Resultaten der mRNA-Untersuchungen (zumindest im Trend) überein, während es bei 22 % der Vorhersagen und mRNA-Analysen zu unterschiedlichen Resultaten kam. Innerhalb einer vorangegangenen Diplomarbeit konnten zehn Duplikationsbruch-punkte im F8-Gen von nicht verwandten Hämophilie-A-Patienten aufgeklärt werden. Diese wurden nun mit verschiedenen in-silico-Programmen analysiert, um die Sequenzumgebung der Bruchpunkt genauer zu beschreiben. Die Untersuchung ergab, dass verschiedene Mechanismen zur Entstehung von Duplikationen führen können und vermutlich mehrere Sequenzmotive in direkter Nähe der Bruchpunkte hierzu beitragen. Im Rahmen der molekulargenetischen Hämophilie-A-Diagnostik zum Nachweis von Intron-1- bzw. Intron-22-Inversionen sind einige Patienten mit schwerer Hämophilie A aufgefallen, welche ungewöhnliche Bandenmuster in den analytischen PCRs bzw. Southern-Blots aufwiesen. Mittels MLPA-Analysen wurden bei diesen Patienten Deletionen oder Duplikationen (CNVs) aufgedeckt, die meist allein die auffälligen Bandenmuster nicht erklären konnten. Weitere Long-Range-PCR-Untersuchungen belegten dagegen, dass fünf der untersuchten Fälle auf ein kombiniertes Inversions- und Duplikations- bzw. Deletionsereignis zurückzuführen sind. Als zweiter Teil der Arbeit wurden Transkriptions- und Translationsuntersuchungen von Nonsense-Mutationen des F8-Gens in einem zellulären Expressionssystem durchgeführt. Es konnte nachgewiesen werden, dass trotz Nonsense-Mutation eine komplette F8-Tran¬skrip¬tion stattfindet. Antigenanalysen konnten die Expression von trunkierten Proteinen nachweisen, wenn die Nonsense-Mutationen in der leichten Kette, d.h. den distalen Domänen A3, C1 oder C2, lag. Bei Nonsense-Mutationen in der schweren Kette (den proximalen Domänen A1, A2 oder B) war keine Proteinexpression nachweisbar. Diese Daten konnte durch intrazelluläre Immunlokalisation der trunkierten Proteine bestätigt werden. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die B-Domäne eine wichtige Rolle bei der Proteinprozessierung spielt, vermutlich indem sie die Bindung von Chaperonen ermöglicht und das FVIII-Protein vor Degradation schützt. / Molecular F8 gene diagnostic procedures fail to reveal any causal mutation in 2–3 % of haemophilia A patients. In the first part of this thesis, DNA samples from these patients were analyzed to identify ‘non canonical’ F8 gene mutations. Two of these patients showed single base substitutions in the promoter region of the F8 gene. These two and two further previously reported nucleotide substitutions were analyzed by luciferase assays for their promoter activities. F8 promoter activity levels were clearly reduced due to the base substitutions illustrating the causality of these promoter mutations. The remaining patients were investigated for methylation aberrations in five CpG is-lands in the 5’UTR and intron 1 of the F8 gene. Three samples with aberrant meth-ylation status were detected, of which one was caused by the second X chromosome in a haemophilia patient with Klinefelter syndrome and the other two were caused by as yet undefined genomic alteration in intron 1. No aberrant methylation status was detected which could have influenced FVIII expression. In four patients with presumptive splice site mutations, mRNA analysis demonstrated the presence of aberrant F8 transcripts and therefore mutation causality could be confirmed. In addition, all experimentally proven silent and splice site mutations were extracted from the literature and the experimental results were compared to those of splice site prediction tools of the software Alamut. In 78 % of cases, splice prediction was found in good agreement with mRNA analyses. In my previous diploma thesis, the duplication breakpoints of ten unrelated haemo-philia A patients with duplications in F8 gene were characterized by PCR and se-quencing. The sequence data flanking the breakpoints were now analyzed with in silico tools in order to identify sequence motifs which could suggest mechanisms for the generation of duplications. These analyses identified several sequence motives which are assumed to contribute to DNA-repair-related rearrangements and sug¬ge-sted different mechanisms to be involved in the origin of duplications. Upon routine molecular diagnostic analysis of F8 intron 1 and intron 22 inversions by PCR or Southern blotting, a few haemophilia A patients with severe phenotype had revealed inconsistent band patterns. Subsequent MLPA analysis in five of these patients identified additional deletions or duplications (CNVs) which could not fully explain the abnormal band patterns. Further long range PCR experiments provided hints to a combination of CNV and inversion events. In the second part of this thesis, in vitro FVIII expression analyses were performed to investigate the impact of nonsense mutations in the F8 gene on transcription and translation. F8 mRNA analyses of both wild type and mutated constructs showed transcription of full-length mRNA. Polyclonal antigen assays were able to detect truncated proteins in cell lysates transfected with F8 constructs carrying nonsense mutations in the distal light chain, i.e. domains A3, C1 or C2. No protein expression was detectable from F8 constructs harbouring nonsense mutations in the proximal heavy chain, i.e. domains A1, A2 or B. These data were confirmed by intracellular immune localization of the truncated proteins. These results suggest an important role of the B domain during intracellular protein processing: it likely enables chaperone binding and thus protects the FVIII protein from degradation.

Im Fünfjahreszeitraum der Jahre 2000 bis 2004 wurden am Institut für Humangenetik der Universität Würzburg mehr als 2300 Untersuchungen zur molekulargenetischen Bestätigung bzw. Ausschluss eines Betroffenen-Status bzw. eines Überträger-Status für die Hämophilie A durchgeführt. Dies waren 20% aller in dieser Arbeit erfassten molekulargenetischen Untersuchungen des Instituts. Die Zahl der Untersuchungen stieg von knapp über 400 im Jahre 2000 auf 550 im Jahre 2003, fiel aber im Jahr 2004 wieder auf den Ausgangswert zurück. Anforderungen für F8-Mutationsanalysen kamen schwerpunktmäßig aus Bonn, Frankfurt, München und den neuen Bundesländern. 55% der untersuchten Patienten waren männlich, 39% weiblich, wobei die Zahl der weiblichen Patienten (Überträgerdiagnostik) bis zum Jahre 2003 einen deutlichen Anstieg verzeichnete. In 72% der Fälle konnte eine Mutation nachgewiesen, in 25% der Fälle konnte eine Mutation ausgeschlossen werden. Durchschnittlich 3% der Fälle blieben ohne definitives Ergebnis, wobei dieser Wert am Ende des Beobachtungszeitraums mit 1% deutlich unter den initialen 6% im Jahre 2000 lag. Die primäre Untersuchungsrate auf die Intron 22 Inversion sank von initial 40% (im Jahre 2000) auf knapp unter 20% im Jahre 2004. Gleichzeitig stieg die Analytik mittels DGGE und anschließender Sequenzierung von 60% auf 80%. Im Gegensatz zur Intron 22 Inversion mit 29% der positiv-getesteten Fälle spielte die Intron 1 Inversion mit knapp 1% der positiven Ergebnisse nur eine geringe Rolle. Im gleichen Fünfjahreszeitraum wurden 350 Untersuchungen zur Bestätigung bzw. zum Ausschluss genetischer Veränderungen als Ursache des Hereditären Angioödems (HAE) durchgeführt. Die Häufigkeit der Mutationsanalysen im SERPING1-Gen ergab eine bimodale Verteilung: Während im Jahr 2000 knapp über 100 Analysen durchgeführt wurden, sank diese Zahl im Jahr 2001 auf unter 50, um dann bis zum Jahre 2004 auf nahezu 200 Fälle pro Jahr anzusteigen. 62% der untersuchten Patienten waren weiblich, 38% männlich, was der klinischen Präsentation der Erkrankung entspricht. Das Durchschnittsalter lag zwischen 30 und 40 Jahren. In 52% der Untersuchungen gelang der Nachweis einer Mutation, in 34% der Fälle war das Ergebnis negativ. In durchschnittlich 14% der Fälle konnte kein definitives Ergebnis erzielt werden. Während dieser Wert initial (im Jahre 2000) bei 30% lag, konnte er durch die Verbesserung der molekulargenetischen Analytik bis zum Jahre 2004 auf unter 2% gesenkt werden. Unter den Einsendern dominierten die Großräume Frankfurt und Mainz, während nur jeweils 1% der Anforderungen auf die Großräume München, Gera und Belgien entfielen. Lt. Gößwein et al. (2008) [C1CYG08] fanden sich in der Würzburger Kohorte mit jeweils 33% bis 34% am häufigsten Missense-Mutationen sowie kleinere Deletionen und Insertionen. Große Deletionen, Splice-site-Mutationen und Nonsense-Mutationen waren mit jeweils ca. 10% sehr viel seltener. Zusammenfassend ergeben sich aus der retrospektiven Auswertung der Daten zur molekulargenetischen Analytik von Hämophilie A und Hereditärem Angioödem wichtige Hinweise auf zeitlich und technisch bedingte Fluktuationen, welche als Grundlage zukünftiger analytischer Strategien dienen können. / At the Department of Human Genetics of the University of Würzburg, between the years 2000 and 2004 more than 2300 blood samples have been tested in order to rule out or to confirm genetic alterations in the X-chromosomal factor VIII gene. This amounts to 20% all genetic tests carried out during the five year interval. The number of tested specimens increased from an initial 400 per year in the year 2000 to 550 per year in the year 2003, and dropped down to around 400 in the year 2004. Requests for FVIII mutation analysis came mainly from Bonn, Frankfurt, Munich and from former East-German-States. Initially, 55% of the analyzed patients were male and 39% female, but female carrier diagnostics increased during the five year interval. A disease-causing genetic alteration was detected in 72% of cases, while a negative result was obtained in 25%. Initially, a result was not obtained in 6% of cases, but this figure decreased to 1% at the end of the study period. At the beginning of the study, 40% of the specimens were first subjected to intron 22 inversion analysis. This rate dropped down to 20% at the end of the study. Concurrently, the utilization of DGGE-prescreening increased from 60 to 80%. Whereas the intron 22 inversion comprised 29% of all positive cases, less than 1% of all cases had an intron 1 inversion. During the same five year period, 350 analyses for confirmation or exclusion of genetic alterations as cause of hereditary angioedema (HAE) were performed. There was a bimodal distribution of the frequency of the molecular HAE tests which declined from an initial 100 per year (in 2000) to 50 per year. Collectively, the results of this retrospective analysis document substantial temporal, geographic and methodological fluctuations in the provision of specialized genetic services which may serve as guidelines for future improvements.

Bevor ein zellbasiertes GTMP erstmalig beim Menschen angewendet werden kann, müssen verschiedene notwendige nicht-klinische Studien durchgeführt werden. Wichtig ist hier u.a. die Untersuchung der Biodistribution im Tiermodel. Diese umfasst die Verteilung, das Engraftment, die Persistenz, die Eliminierung und gegebenenfalls die Expansion der humanen Zellen in verschiedenen Organen, meistens im Mausmodel. Deshalb wurde eine qPCR-basierte Analysenmethode entwickelt, mit der humane genomische DNA innerhalb von muriner genomischer DNA bestimmt werden kann, und entsprechend den regulatorischen Richtlinien der European Medicines Agency und des International Council for Harmonisation validiert. Anschließend wurde diese Methode innerhalb einer präklinischen worst-case Szenario Biodistributionsstudie angewendet. Das Ziel dieser Studie war die Untersuchung des Biodistributionsprofils von genetisch modifizierten Blood Outgrowth Endothelial Cells von Hämophilie A Patienten 24 Stunden und sieben Tage nach intravenöser Applikation einer Dosis von 2x106 Zellen. Die Isolation, genetische Modifikation und die Expansion der Zellen sollte entsprechend den Richtlinien der Guten Herstellungspraxis durchgeführt werden. Hierbei ist die Auswahl und Anwendung geeigneter und essentieller Rohstoffe wichtig. Gleichermaßen ist die Durchführung einer definierten Qualitätskontrollstrategie notwendig und die Patientenzellen sollten nur innerhalb von nicht-klinischen Studien eingesetzt werden, wenn alle Akzeptanzkriterien erfüllt wurden. Die Validierung der qPCR-Methode zeigte eine hohe Genauigkeit, Präzision und Linearität innerhalb des Konzentrationsintervalls von 1:1x103 bis 1:1x106 humanen zu murinen Genomen. Bei Anwendung dieser Methode für die Biodistributionsstudie konnten nach 24 Stunden humane Genome in vier der acht untersuchten Mausorgane bestimmt werden. Nach sieben Tagen konnten in keinem der acht Organe humane Genome nachgewiesen werden... / The mandatory non-clinical study scheme prior to the first administration of a cell-based gene therapy medicinal product (GTMP) to human subjects includes and requires investigation of the biodistribution, comprising mobilization, persistence, and clearance, of the GTMP in a relevant animal model. Therefore, a qPCR-based method to determine the amount of human DNA in mouse DNA was developed and validated according to the guidelines of the European Medicines Agency and the International Council for Harmonisation. Furthermore, a preclinical worst-case scenario study was performed, in which this method was applied to investigate the biodistribution of 2x106 intravenously administered, genetically modified blood outgrowth endothelial cells from hemophilia A patients after 24 hours and seven days. The isolation, genetic modification and expansion of cells should be performed according to the guidelines on Good Manufacturing Practice. Here, the selection and application of appropriate and necessary raw materials is important. Likewise, the performance of a defined quality control program is mandatory and cells should only be applied within non-clinical studies if they passed all acceptance criteria. The validation of the qPCR method demonstrated high accuracy, precision, and linearity for the concentration interval of 1:1x103 to 1:1x106 human to mouse genomes. The application of this method in the biodistribution study resulted in the detection of human genomes in four out of the eight investigated organs after 24 hours. After seven days, no human DNA was detected in the eight organs analyzed. This biodistribution study provides mandatory data on the toxicokinetic safety profile of an actual cell-based medicinal product candidate. This is a prerequisite for designing and performing the subsequent toxicity studies necessary to ensure patient safety and permit moving the medicinal product towards a first-in-human clinical trial.

The Cre/loxP system belongs to the family of site-specific recombinases (SSR) that can precisely modify DNA that is flanked by two target sites. The reaction outcome is dependent on the structure and orientation of the target sites and includes excision, inversion and exchange of a DNA fragment. The system is established for more than 30 years and is active in vitro and in vivo in several organisms. These characteristics make the Cre/loxP system the ideal tool for genome editing. However, the strict target site preference for loxP limits its use to basic research where the loxP target sites can be introduced beforehand at the anticipated genomic locus. Directed evolution strategies have overcome this limitation and allow to generate Cre-like recombinases with altered DNA specificity. During this work, I developed the first dual-recombinase system based on evolved recombinases. Using two instead of one recombinase expands the targetability of the human genome by being more flexible in the target site search. After the identification of suitable target sites, I could show an evolved dual-recombinase system that can be used for excision and inversion of a human genomic locus. The recombinase mediated inversion reaction corrected a large genomic inversion that is frequently found in patients with severe Hemophilia A. Only two days after treating human cells with the developed dual-recombinase system, RecF8, 30% inversion could be detected in a human cell line. Applying RecF8 in patient specific endothelial cells corrected around 9% of the inversion back to the wild type sequence, which would be sufficient to drastically improve the quality of life of affected individuals. This genomic correction lead to the expression of the F8 gene, which is inactive elsewise. It remains to proof that the transcriptional reactivation of the F8 gene allows for the production of the Factor VIII protein. Before using RecF8 in a clinical setting, an in vivo study in a suitable mouse model is necessary. This study introduces a dual-recombinase system and thereby broadens the use of designer recombinases for genome editing. Moreover, in a proof on concept experiment this study shows that recombinases can be applied to correct large disease-causing genomic inversions in human cells. Altogether, the use of recombinases for scarless genome editing comes a step closer to reality.