Mucopolysaccharidoses are a group of diseases that belong to lysosomal storage disorders. A common sign of these monogenic multisystem diseases is a gene mutation leading to a deficiency of the lysosomal enzyme participating in glycosaminoglycan degradation. It results to their accumulation in the tissues and organs, where they cause a progressive damage. There is no efficient treatment available for most mucopolysaccharidoses. Moreover, the research is complicated because of the low prevalence and type of affected tissues. Animal models of these human diseases are used for an evaluation of newly developed therapeutic approaches. However, they also have many limitations due to the different pathogenesis and catabolic pathways of the accumulated substrates between humans and animals. Therefore, animal models are replaced by human cell models. In this thesis, the development of four mucopolysaccharidoses human cell models is reported (MPS IIID, MPS IVA, MPS IVB, MPS VI). Corresponding genes (GNS, GALNS, GLB1, ARSB) were inactivated using CRISPR/Cas9 technology, where plasmids containing specific inserts are delivered to the target human induced pluripotent stem cells (iPSC), using electroporation. Isolated clones, which represent iPSC disease models, were characterized by Sanger sequencing, enzyme...

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Recent breakthroughs in creating induced pluripotent stem cells (iPS cells) provide alternative means to obtain embryonic stem (ES) cell-like cells without destroying embryos by introducing four reprogramming factors (Oct3/4, Sox2, and Klf4/c-Myc or Nanog/Lin28) into somatic cells. However, the molecular basis of reprogramming is largely unknown. To address this question, we employed microRNAs, small molecules, and conducted genome-wide RNAi screen, to investigate the regulatory mechanisms of reprogramming. First we showed that depleting miR-21 and miR-29a enhances reprogramming in mouse embryonic fibroblasts (MEFs). We also showed that p53 and ERK1/2 pathways are regulated by miR-21 and miR-29a and function in reprogramming. Second, we showed that computational chemical biology combined with genomic analysis can be used to identify small molecules regulating reprogramming. We discovered that the NSAID Nabumetone and the anti-cancer drug OHTM could replace Sox2 during reprogramming. Nabumetone could also replace c-Myc or Sox2 without compromising self-renewal and pluripotency of derived iPS cells. To identify the cell-fate determinants during reprogramming, we integrated a genome-wide RNAi screen with transcriptome analysis to dissect the molecular requirements in reprogramming. We found that extensive interactions of embryonic stem cell core circuitry regulators are established in mature iPS cells, including Utf1, Nr6a1, Tdgf1, Gsc, Fgf10, T, Chrd, Dppa3, Fgf17, Eomes, Foxa2. Remarkably, genes with non-differential change play the most critical roles in the transitions of reprogramming. Functional validation showed that some genes act as essential or barrier roles to reprogramming. We also identified several genes required for maintaining ES cell properties. Altogether, our results demonstrate the significance of miRNA function in regulating multiple signaling networks involved in reprogramming. And our work further advanced the reprogramming field by identifying several new key modulators.

L'œsophage et la trachée proviennent du diverticule endodermique du tube de l'intestin antérieur au cours de l'embryogenèse. Des événements cellulaires et moléculaires bien régulés et organisés entraînent la séparation du tube de l'intestin antérieur en œsophage et trachée. Cette séparation est encore mal connue et la perturbation de ce processus se traduit par une anomalie congénitale sévère telle qu'une l’atrésie de l'œsophage avec ou sans fistule trachéo-œsophagienne (AO/FTO). L'AO/FTO est l'une des malformations congénitales gastro-intestinales les plus courantes affectant 1 naissance sur 3000. Cette malformation nécessite une intervention chirurgicale urgente à la naissance et est fréquemment associée à une morbidité à long terme. Les mécanismes sous-jacents au développement embryonnaire de l'AO/FTO sont mal compris. Les modèles animaux ont été largement utilisés pour comprendre les maladies humaines depuis des décennies et ont considérablement contribué à la compréhension du développement de l'œsophage. Cependant, des différences structurelles et morphologiques clés existent entre l'œsophage humain et animal, ce qui nécessite un modèle plus fiable pour comprendre le développement trachée-œsophagien. Les cellules souches pluripotentes induites par l'homme ont été un outil précieux pour comprendre l'organogenèse en imitant le développement et en déchiffrant les mécanismes qui conduisent à des maladies congénitales et acquises. Cette thèse se concentre donc sur l'utilisation de cellules souches pluripotentes induites (IPS) par des patients pour déchiffrer les mécanismes de signalisation impliqués dans le développement de l'œsophage et les maladies congénitales telles que l’OA/FTO. Il étudie également l'une des maladies œsophagiennes acquises possibles, comme l'œsophage de Barrett. Nous avons orienté la différenciation des IPS saines et dérivées de patients vers différents stades de développement, tels que l'endoderme définitif, l'intestin antérieur, l'épithélium œsophagien et trachéal. De plus, l'épithélium œsophagien a été développé davantage dans un environnement tridimensionnel sans matrice pour générer des organoïdes œsophagiens matures. À chaque étape de la progression du développement, des analyses d'immunofluorescence, de qPCR et de séquençage d'ARN ont été effectuées. Nos résultats suggèrent que l'expression des marqueurs endodermiques CXCR4, SOX17, et GATA4 était similaire dans les cellules différenciées des patients et des cellules saines. Cependant, au stade de l'intestin antérieur, nous avons observé une diminution significative de l'expression des gènes et des protéines du facteur transcriptionnel clé SOX2 dans les cellules dérivées du patient. De plus, en utilisant le séquençage d'ARN à molécule unique, nous avons observé que les gènes critiques GSTM1, et RAB37 impliqués dans la morphogenèse cellulaire et associés à l’OA/FTO étaient dérégulés au stade de l'intestin antérieur dans les cellules dérivées du patient. Nous avons également observé une augmentation significative de l'expression du facteur de transcription NKX2.1 habituellement exprimé uniquement dans les cellules trachéales, dans l'épithélium oesophagien dérivé du patient. NKX2.1 est maintenue dans les organoïdes oesophagiens matures même après 2 mois. Ensuite, nous voulions valider l'utilisation potentielle de nos organoïdes dérivés des IPS pour modéliser les maladies acquises de l'œsophage telles que l'œsophage de Barrett. Nous avons induit une métaplasie ou transformation épithéliale avec surexpression de BMP4 dans des organoïdes de l'œsophage sains et dérivés du patient sur une période d'un mois. Nos résultats préliminaires montrent que les organoïdes de l'œsophage dérivés des patients exprimaient des niveaux d'ARNm plus élevés de MUC5AC, un marqueur épithélial cylindrique par rapport au groupe sain. Cela suggère une plus grande sensibilité de l'organoïde de l'œsophage dérivé du patient aux changements epitheliales métaplasiques. En conclusion, nous avons développé les premiers organoïdes œsophagiens tridimensionnels matures sans matrice différenciés des patients OA/FTO et identifié une signature moléculaire unique dans les cellules dérivées du patient au cours de la différenciation dirigée de l'œsophage. De plus, sur la base des résultats préliminaires, nous avons pu confirmer l'incidence plus élevée de l'œsophage de Barrett chez les patients OA/FTO par rapport au groupe sain. Notre travail met donc en évidence l'importance de l'utilisation des IPS dérivées des patients pour modéliser les maladies œsophagiennes congénitales et acquises afin de fournir de nouvelles informations sur le développement des organes au cours de l'embryogenèse. / The esophagus and trachea originate from the endodermal diverticulum of the anterior foregut tube during embryogenesis. Well-regulated and organized cellular and molecular events result in the compartmentalization of the anterior foregut tube into the esophagus and trachea. This compartmentalization is still poorly understood and disruption in this process results in a severe congenital anomaly such as esophageal atresia with or without tracheoesophageal fistula (EA/TEF). EA/TEF is one of the most common gastrointestinal congenital defects affecting 1 in 3,000 births. This malformation requires urgent surgery at birth and is frequently associated with long-term morbidity. The mechanisms underlying the embryonic development of EA/TEF are poorly understood. Animal models have been widely used to understand human diseases for decades and have significantly contributed to the understanding of esophageal development. However, key structural and morphological differences exist between human and animal esophagus, thus necessitating a more reliable model to understand trachea-esophageal development. Human induced pluripotent stem cells (iPSC) have been a valuable tool to understand organogenesis by mimicking development and deciphering mechanisms that lead to congenital and acquired diseases. This thesis therefore focuses on the use of patient-derived induced pluripotent stem cells to decipher signaling mechanisms involved in esophageal development and congenital diseases such as EA/TEF. It also focuses on one of the possible acquired esophageal diseases, namely, Barrett’s esophagus. We directed the differentiation of healthy and patient-derived iPSCs toward different developmental stages, such as definitive endoderm, anterior foregut, esophageal and tracheal epithelium. Furthermore, the esophageal epithelium was matured further in a matrix free 3-dimensional environment to generate mature esophageal organoids. At each stage of development progression, immunofluorescence, qPCR, and RNA sequencing analysis were performed. Our findings suggest that the expression of endodermal markers CXCR4, SOX17, and GATA4, were similar in both patient and healthy differentiated cells. However, at the anterior foregut stage, we observed a significant decrease in the gene and protein expression of key transcription factor SOX2 in patient-derived cells. Furthermore, using nanopore RNA sequencing, we observed that critical genes GSTM1, and RAB7 involved in cellular morphogenesis and associated with EA/TEF to be dysregulated at the anterior foregut stage in patient-derived cells. We also observed a significant increase in the expression of transcription factor NKX2.1, usually expressed only in tracheal cells, in the patient-derived esophageal epithelium. NKX2.1 expression was maintained in matured esophageal organoids even after 2 months. Next, we wanted to validate the potential use of our PSC-derived organoids to model acquired esophagus diseases such as Barrett’s esophagus (BE). We induced epithelial metaplasia with BMP4 overexpression in healthy and patient-derived esophagus organoids over a 1-month period. Our preliminary results show that patient-derived esophagus organoids expressed higher mRNA levels of MUC5AC, an epithelial columnar marker compared with the healthy group. This suggests a higher susceptibility of patient-derived esophagus organoid to metaplastic changes. In conclusion, we developed the first matrix free mature 3-dimensional esophageal organoids differentiated from EA/TEF patient-derived and identified a unique molecular signature in patient derived cells during directed esophagus differentiation. Furthermore, based on the preliminary results, we could confirm the higher incidence of Barrett’s esophagus in EA/TEF patients compared with the healthy group. Our work therefore highlights the significance of using patient-derived iPSCs to model congenital and acquired esophageal diseases to yield new insights on organ development during embryogenesis. It lays the foundation for a personalized medical approach to other diseases and the ones affecting the whole gastrointestinal system in both children and adults.

Chronisches Nierenversagen kann zu einem endgültigen Funktionsverlust der Nieren führen. Nierenersatztherapien bleiben dabei die einzigen lebensrettenden Behandlungsmaßnahmen. Der globale Bedarf an Nierenorganen übersteigt jedoch bei weitem die Anzahl verfügbarer Spenderorgane. Humane induzierte pluripotente Stammzellen (hiPSC) stellen eine vielversprechende Quelle für die Generierung funktioneller Nierenzellen dar. Die hiPSC-abgeleiteten Nierenzellen könnten zukünftig für zelluläre Ersatztherapien verwendet werden. Innerhalb dieser Arbeit sollten die aus hiPSC-abgeleiteten Nierenzellen auf ihre Immunogenität überprüft werden. Dafür wurden hiPSC-Linien, reprogrammiert aus primären Urinzellen gesunder Spender, generiert. Die hiPSC wurden daraufhin in renale Vorläuferzellen (IM-Zellen) und proximale Tubuluszellen (PT-Zellen) differenziert. Die immunphänotypische Analyse ergab eine generell verminderte Expression immun-relevanter Gene verglichen zu adulten Urinzellen. Für die Immunigenitätsbestimmung wurden die Nierenzellen jeweils mit autologen oder allogenen Zellen des peripheren Blutes (PBMCs) kokultiviert. Die IM- sowie PT-Zell-Kokulturen mit PBMC gesunder Spender sowie von Patienten mit diabetischer Nephropathie ergaben keine Proliferation autoreaktiver sowie allogener T-Zellen, im Vergleich zu primäre Urinzellen mit gleichen HLA-Merkmalen. Des Weiteren wiesen IM- und PT-Zellen aktive immunsupprimierende Eigenschaften auf. Diese konnten in langzeit-kultivierten PT-Zellen nicht mehr beobachtet werden. Zusätzlich zeigten die hiPSC-abgeleiteten Nierenzellen eine Anfälligkeit gegenüber autologe sowie allogene natürliche Killerzellen (NK-Zellen). Diese Studie ergab erstmalig Einblicke in die Dynamiken der T- und NK-Zell-Antworten renal differenzierter hiPSC. Die hier gewonnenen Erkenntnisse können für die Entwicklung zukünftiger Therapien beitragen, um eine sichere Transplantation von hiPSC-abgeleiteten Nierenzellen, selbst im allogenen System, zu ermöglichen. / Kidneys are essential for numerous vital processes. Chronic damage can lead to end stage renal disease with the requirement of kidney replacement therapies. Kidneys are nowadays the most frequently transplanted human organs, however, the transplant demand is far exceeding the number of available donations. Human induced pluripotent stem cells (hiPSC) represent a promising alternative approach for the generation of functional renal differentiated cells suitable for autologous cell replacement therapies (CRT). Yet, the immunogenic potential of hiPSC and their progenies are among the major concerns. This study aimed to analyze immunogenic effects of hiPSC-derived renal cells in autologous and allogeneic settings in vitro. Therefor, primary urinary cells (pUC) from healthy donors were reprogrammed into hiPSC, which were differentiated into renal progenitors (IMC) and into proximal tubular cells (PTC). Immune-phenotypic characterization revealed overall reduced expression of immune-relevant genes in hiPSC and renal derivatives compared to pUC. Co-culture experiments of IMC or PTC with either autologous or allogeneic peripheral blood mononuclear cells of healthy donors or patients with diabetic nephropathy revealed no induction of T cell proliferation in comparison to pUC cells with the same HLA-types. IMC and PTC showed immunomodulatory effects on allogeneic T cell proliferation. These immunosuppressive capacities were lost in long-term cultivated PTC. hiPSC-derived renal cells showed to elicit autologous as well as for allogeneic natural killer cells (NK cells). This study provided insights about the immunogenic properties of hiPSC-derived renal cells. In vitro experiments revealed new hints about the dynamics of T- and NK cell responses dependent on the differentiation status of hiPSC-derived renal cells. These data show translational potential for the development of future CRT strategies aiming safe transplantation of hiPSC-derived renal cells across HLA barriers.

Hintergrund Das Aicardi-Goutières Syndrom (AGS) ist eine genetisch bedingte Enzephalopathie, die durch Mutationen in neun verschiedenen Genen verursacht wird und zu einer Neurodegenration mit globaler Entwicklungsverzögerung führt. Die Mutationen führen zu einer Fehlregulation des Metabolismus und der immunologischen Erkennung intrazellulärer Nukleinsäuren sowie einer konstitutiven Aktivierung von Typ 1-Interferon (IFN). Bei AGS-Patienten sind Kalzifizierungen der Basalganglia sowie Demyelinisierungen der weißen Substanz charakteristisch. Fragestellung: Biallele Mutationen in den Genen, TREX1 und SAMHD1, sind Ursache des AGS Typ 1 und AGS Typ 5. Die DNA-Exonuklease TREX1 degradiert intrazelluläre Nukleinsäure-Metabolite, die während zellulärer Prozesse gebildet werden. Die Triphosphohydrolase SAMHD1 spielt vorrangig in der Regulation des intrazellulären dNTP-Pools und des RNA-Metabolismus eine wichtige Rolle. Die Möglichkeit induzierte pluripotente Stammzellen (iPSC) zu generieren und damit aus somatischen Zellen embryonale Stammzellen nachzubilden, um diese in unterschiedliche Zelltypen zu differenzieren, ermöglicht es, Zelltypen von schwer zugänglichen Geweben wie das Gehirn zu erforschen. Die vorliegende Arbeit untersucht die Auswirkungen einer TREX1- und SAMHD1-Defizienz in neuronalen Zellen. Dazu wurden reprogrammierte neuronale Modelle für das AGS Typ 1 und AGS Typ 5 etabliert. Ziel war hierbei die Aufdeckung bisher unbekannter molekularer Mechanismen, die zur Entstehung einer Typ 1-IFN-induzierten Inflammation und Neurodegeneration bei Patienten mit AGS führt. Material und Methoden: Als Ausgangspunkt dieser Arbeit dienten primäre Fibroblasten und PBMCs, die aus Hautbiopsien bzw. Blutproben von AGS-Patienten mit Mutationen in den Genen, TREX1 und SAMHD1, gewonnen wurden. Durch eine Reprogrammierung dieser patientenspezifischen Zellen wurden pluripotente Stammzellen induziert und anschließend über die Bildung von Embryonalkörperchen und neuronale Vorläuferzellen in neuronale Zellen differenziert. Um die etablierten neuronalen Zelllinien funktionell zu charakterisieren, wurden isogene Zelllinien etabliert. Hierbei wurde mittels Genomeditierung der patientenspezifischen iPS-Zellen die krankheitsassoziierte Mutation behoben und auf diese Weise isogene Zelllinien mit identischem genetischen Hintergrund generiert, die sich lediglich durch die Anwesenheit oder das Fehlen der krankheitsrelevanten Mutation unterscheiden. Unter Nutzung verschiedener molekularbiologischer Methoden wurden die patientenspezifischen neuronalen Zellen näher untersucht. Um die in Patienten-Fibroblasten nachgewiesene erhöhten Typ 1-IFN-Aktivität auch im neuronalen Zellmodell zu untersuchen, wurden in dieser Arbeit AGS-patientenspezifische neuronale Zellen und deren Vorläufer auf eine Erhöhung der IFN-Signatur überprüft. Um die etablierten neuronalen Zellmodelle eines AGS auf zellulären Stress in Form von ROS zu untersuchen, wurden patientenspezifische NPCs im Vergleich zu WT-Linien mittels DHR-Assay analysiert. Weiterhin wurde aus neuronalen Zellen mit AGS-spezifischen Mutationen mittels einer speziellen Kultivierungsmethode zur in vitro Separation von Axonen und Dendriten in proximale und distale Bereiche und einem nachfolgenden Tracking von Lysosomen und Mitochondrien per Live cell imaging die subzelluläre Verteilung dieser Organellen untersucht. Mittels immunhistochemischer Färbungen wurden zudem aus iPSC bzw. NPCs gewonnene neuronale Zellen mit AGS-spezifischen Mutationen die zelluläre Expression von Proteinen, die eine Rolle bei neurodegenerativen Krankheiten spielen, untersucht. Ergebnisse Die Nutzung der iPSC-Technologie eröffnet besonders für neurodegenerative Krankheiten die Möglichkeit, geeignete zelluläre Krankheitsmodelle zu schaffen. So existieren bereits eine Reihe iPSC-basierter Studien für Alzheimer, Parkinson, Chorea Huntington oder amyotropher Lateralsklerose. Mit der vorliegenden Arbeit wurden iPSC-basierte Modelle für das AGS entwickelt. Als Grundstein dieser Arbeit konnten aus somatischen Zellen von AGS-Patienten pluripotente Stammzellen erzeugt und als iPSCLinien etabliert werden. Die funktionelle Charakterisierung der patientenspezifischen Zellen erfolgte durch die Etablierung isogener Kontrollen mit identischem genetischen Hintergrund, um phänotypische Unterschiede direkt auf die krankheitsspezifischen Mutationen zurückzuführen. Die vorhandenen SAMHD1- und TREX1-Mutationen in den iPS-Zellen der Patienten wurden zunächst mittels Genomeditierung korrigiert. Anschließend wurden iPSC-Linien etabliert. Die patientenspezifischen iPS-Zellen sowie die isogenen Kontrollen wurden über neuronale Vorläuferzellen zu Neuronen differenziert, validiert und funktionell untersucht. Insgesamt konnte gezeigt werden, dass die etablierten Zellmodelle teilweise den Phänotyp eines AGS rekapitulieren. So entsprach die im AGS-Modell neuronaler Vorläuferzellen untersuchte Expression von IFN-stimulierten Genen (ISGs) weitgehend dem typischen Bild einer Interferonopathie und konnte durch den Vergleich mit isogenen Zelllinien auf die TREX1-Mutation der neuronalen Vorläuferzellen zurückgeführt werden. Eine Variabilität der ISG-Expression in ausdifferenzierten neuronalen Zellen könnte verschiedene Ursachen haben. Die Untersuchungen auf zellulären Stress in Form von ROS konnten zeigen, dass sowohl in TREX1- als auch SAMHD1-defizienten neuronalen Vorläuferzellen ein erhöhtes zelluläres Level an ROS vorliegt. Möglicherweise ist dies mit dem festgestellten langsamen Zellwachstum der patientenspezifischen Vorläuferzellen assoziiert. Weiterhin konnte mittels Live cell imaging ein verringertes Mobilitätsverhalten von Lysosomen und Mitochondrien in patienten- spezifischen neuronalen Zellen festgestellt werden, was die Vermutung nahelegt, dass die untersuchten AGS-verursachenden Mutationen in TREX1 und SAMHD1 ursächlich an der Neurodegeneration bei AGS-Patienten beteiligt sind. Ausblick: Die in dieser Arbeit erfolgreich etablierten reprogrammierten neuronalen AGS-Modelle können zukünftig dazu dienen, pathogenetische Prozesse im Gehirn zu untersuchen. Es konnten Grundlagen zur Aufklärung bisher unbekannter molekularer Mechanismen der Neurodegeneration bei AGS-Patienten geschaffen werden. Weiterführend kann das etablierte Modell zur Untersuchung weiterer Aspekte wie der Messung von transkriptomweiten Expressionsprofilen verwendet werden und somit neue Einblicke in die zellintrinsische Aktivierung der Typ 1-IFN-Achse von AGS-Patienten liefen. Um die Rolle von neuronal vorkommenden Proteinen oder Vesikeln bei neuronalen Erkrankungen, insbesondere bei AGS,zu untersuchen, stellt das patientenspezifische AGS-Modell eine wichtige Grundlage dar. Die hier aufgeführten immunhistochemischen Untersuchungen neuronaler Proteine können vertieft und in einem größeren Umfang ausgewertet werden. Die vorteilhaften Eigenschaften der iPSC-basierten neurodegenerativen Modelle ermöglichen neben grundlagenwissenschaftlichen Untersuchungen zur Krankheitsursache auch die Bearbeitung von Fragestellungen zur Behandlung von AGS-Patienten.

A cardiomiopatia arritmogênica do ventrículo direito (CAVD) tem origem genética e é caracterizada pela substituição de células miocárdicas por tecido fibroadiposo. A doença tem uma prevalência aproximada de 1:3500, sendo mais frequentemente diagnosticada em indivíduos jovens, atletas e do sexo masculino. Atualmente, várias alterações genéticas associadas a CAVD foram descritas em 12 genes diferentes. No entanto, existem poucos estudos na literatura que descrevem o espectro mutacional da doença usando um painel abrangente de genes potencialmente causais, em populações diferentes das coortes descendentes de europeus. O sequenciamento de nova geração (NGS) como ferramenta para o diagnóstico molecular da doença, permite um avanço na correlação entre alterações genotípicas e fenotípicas e tem aportado potenciais benefícios que crescem juntamente com os desafios na sua interpretação. Além disso, o uso de hiPSCs como modelo in vitro de determinadas doenças cardíacas, permite avaliar especificamente a relação do genótipo com as diferentes consequências fenotípicas celulares da CAVD. Entretanto, os mecanismos moleculares da doença ainda são pouco esclarecidos e não há na literatura estudos que englobem ao mesmo tempo o perfil mutacional (com um painel extenso de genes) e estudo funcional das alterações encontradas com o uso de hiPSC-CMs. Esta tese teve como objetivo descrever a prevalência de variantes causais em genes associados à CAVD na população brasileira, e caracterizar, do ponto de vista funcional, os cardiomiócitos derivados de hiPSC (hiPSC-CMs) de pacientes com mutações identificadas, a fim de associar o perfil mutacional e a expressão fenotípica celular. Quarenta e sete indivíduos, não aparentados, sendo 38 (80,85%) pacientes do sexo masculino, idade média 40,2 ± 15,56 anos, com diagnóstico clínico de CAVD, foram submetidos ao sequenciamento de um painel genético relacionado à cardiomiopatias hereditárias, compreendendo os 12 genes previamente descritos como causadores de CAVD, utilizando sequenciamento de nova geração (NGS). As variantes foram interpretadas e classificadas de acordo com os critérios da ACMG. Variantes patogênicas ou provavelmente patogênicas foram encontradas em dezoito probandos (38,3%), com maior número de ocorrências no gene PKP2 (38,8%). Entre os 18 casos positivos, treze variantes diferentes foram encontradas, quatro delas novas variantes em genes desmossomais, sem descrição prévia na literatura. Variantes de significado incerto (VSI) foram encontradas em 16 pacientes. A presença de uma variante causal ocorreu em todos os probandos assintomáticos e foi significativamente associada a probandos com histórico familiar de morte súbita cardíaca abaixo de 35 anos. Para a modelagem celular da CAVD, foram geradas hiPSCs de dois pacientes a partir de células progenitoras de urina (UPCs) e fibroblastos, por transfecção episomal. O primeiro paciente possuía alteração missense no gene PKP2 e o segundo, uma inserção no gene DSC2. As hiPSCs foram caracterizadas quanto ao seu potencial de pluripotência e posteriormente diferenciadas em cardiomiócitos (hiPSC-CMs). Nossos resultados demonstraram diferenças fenotípicas significativas entre os CAVD-CMs comparados com os controle-CMs, como: reduções significativas de expressão das proteínas desmossomais e desmossomos estruturalmente alterados; presença de marcadores do acúmulo de gotículas lipídicas e regulação aumentada do fator de transcrição proadipogênico PPAR-gama; aumento de duração do potencial de campo (FPD) e do potencial de ação em 90% de repolarização (APD90); velocidade de condução mais lenta e uma força de contração menor. Em conclusão, este é o primeiro trabalho a caracterizar o perfil genético da CAVD, abrangendo todos os genes descritos até o momento relacionados à doença, na população brasileira. Os dados obtidos neste trabalho sugerem que, pacientes com história familiar de MSC ( < 35 anos) têm maior probabilidade de portar uma variante causal. Além disso, nossos achados sugerem que pacientes com alteração causal no gene PKP2 têm uma maior gravidade da apresentação fenotípica de arritmia. Nosso modelo celular, que contemplou células paciente-específicas com diferentes alterações das estudadas até o presente momento,sugere ser possível o estudo do efeito das alterações genéticas na CAVD e pode ser um acréscimo às ferramentas disponíveis para estudar o mecanismo desta doença complexa / Arrhythmogenic right ventricular cardiomyopathy (ARVC) has a genetic origin and is mainly characterized by the replacement of myocardial cells with fibroadipose tissue. The disease has a prevalence of approximately 1: 3.500, being more frequently diagnosed in young individuals, athletes and males. Currently, several mutations associated with ARVC have been described in 12 different genes. However, there are few studies in the literature that describe the mutational spectrum of the disease using a comprehensive panel of potentially causal genes in populations other than European-descent cohorts. Next Generation Sequencing (NGS) as a tool for molecular diagnosis of the disease allows an advance in the correlation between genotypic and clinical phenotypic aspects and has potential benefits that grow along with the challenges in its interpretation. In addition, the use of hiPSCs as an in vitro model of certain heart diseases, allows to specifically evaluate the relationship of the genotype with the different cellular phenotypic consequences of ARVC. However, the molecular mechanisms of the disease are still poorly understood and there are no studies in the literature that include both the mutational profile (with an extensive panel of genes) and functional study of different causal variants, with the use of hiPSC-CMs. The aim of this thesis was to describe the prevalence of causal variants in ARVC-associated genes in the Brazilian population, and to characterize, from a functional point of view, cardiomyocytes derived from hiPSC (hiPSC-CMs) from patients with identified mutations, in order to associate the mutational profile and cellular phenotypic expression. Forty-seven unrelated probands, 38 (80.85%) male, mean age 40.2 ± 15.56 years, with clinical diagnosis of ARVC, were submitted to a cardiomyopathy-related gene panel sequencing, comprising 12 genes, using next-generation sequencing (NGS). Variants were interpreted and classified according to the ACMG criteria. Pathogenic or Likely Pathogenic variants were found in eighteen probands (38.3%), with the largest number of occurrences in the PKP2 gene (38.8%). Among the 18 positive cases, thirteen different variants were found, four of them novel mutations in desmosomal genes, without previous description in the literature. Variants of uncertain significance (VUS) were found in 16 patients. The presence of a causal variant was present in all asymptomatic probands and was significantly associated with probands who have a family history of sudden cardiac death under 35 years. For the cellular modeling, from urinary progenitor cells (UPCs) and fibroblasts, hiPSCs from two patients were generated by episomal transfection. The first patient had a missense variant in the PKP2 gene, while the second had an insertion in the DSC2 gene. The hiPSCs were characterized for its pluripotency potential and subsequently differentiated into cardiomyocytes (hiPSC-CMs). Our results demonstrated significant phenotypic differences between the ARVC-CMs compared to the control-CMs, such as: significant reductions in the expression of desmosomal proteins and structurally altered desmosomes; presence of lipid droplet accumulation markers and increased regulation of the proadipogenic transcription factor PPAR-gamma; prolonged field potential duration (FPD) and action potential in 90% repolarization (APD90); slower conduction velocity and a lower active contraction force. In conclusion, this is the first work to characterize the genetic profile of ARVC, covering all genes described to date related to the disease, in the Brazilian population. The data obtained in this study suggests that patients with a family history of sudden cardiac death ( < 35 years) are more likely to carry a causal variant. In addition, our findings suggest that patients with causal variant in the PKP2 gene have a greater severity of the phenotypic presentation of arrhythmia. Our cellular model, which contemplated patient-specific cells with different causal variants of the previous studies, suggests that it is possible to study the effect of the genetic changes in ARVC, and may be an addition to the tools available to study the mechanism of this complex disease

Die Reprogrammierung somatischer Zellen hat sich kürlich als leistungsfähige Technik für die Herstellung von induzierten pluripotenten Stammzellen (iPS Zellen) aus terminal differenzierten Zellen bewährt. Trotz der großen Hoffnung, die sie speziell im Bezug auf patientenspezifische Stammzelltherapie darstellt, gibt es viele Hindernisse auf dem Weg zur Anwendung in der Humanmedizin, die sich von niedrigen Effizienzen bei der technischen Umsetzung bis hin zur unerwünschten Integration von Onkogenen in das menschliche Genom erstrecken. Aus diesem Grund ist es unabdingbar, unser Verständnis der zugrundeliegenden Prozesse und Mechanismen zu vertiefen. Durch neue Datengewinnungsmethoden und stetig wachsende biologische Komplexität hat sich der Denkansatz der Systembiologie in den letzten Jahrzehnten stark etabliert und erfährt eine fortwährende Entwicklung seiner Anwendbarkeit auf komplexe biologische und biochemische Zusammenhänge. Verschiedene mathematische Modellierungsmethoden werden auf den Reprogrammierungsprozess angewendet um Engpässe und mögliche Effizienz-Optimierungen zu erforschen. Es werden topologische Merkmale eines Pluripotenznetzwerkes untersucht, um Unterschiede zu zufällig generierten Netzen und so topologische Einschränkungen des biologisch relevanten Netzwerkes zu finden. Die Optimierung eines Booleschen Modells aus einem selbst kuratierten Netzwerk in Bezug auf Genexpressionsdaten aus Reprogrammierungsexperimenten gewährt tiefgreifende Einblicke in die ersten Schritte und wichtigsten Faktoren des Prozesses. Der Transkriptionsfaktor SP1 spielt hierbei eine wichtige Rolle zur Induktion eines intermediären, transkriptionell inaktiven Zustands. Ein probabilistisches Boole''sches Modell verdeutlicht das Zusammenspiel epigenetischer und transkriptioneller Kontrollprozesse zusammen, um Pluripotenz- und Zelllinien-Entscheidungen in Reprogrammierung und Differenzierung zu treffen. Erklärungen für die geringe Effizienz werden versucht. / Somatic Cell Reprogramming has emerged as a powerful technique for the generation of induced pluripotent stem cells (iPSCs) from terminally differentiated cells in recent years. Although holding great promises for future clinical development, especially in patient specific stem cell therapy, the barriers on the way to a human application are manifold ranging from low technical efficiencies to undesirable integration of oncogenes into the genome. It is thus indispensable to further our understanding of the underlying processes involved in this technique. With the advent of new data acquisition technologies and an ever-growing complexity of biological knowledge, the Systems Biology approach has seen an evolution of its applicability to the elaborate questions and problems of researchers. Using different mathematical modeling approaches the process of somatic cell reprogramming is examined to find out bottlenecks and possible enhancements of its efficiency. I analyze the topological characteristics of a pluripotency network in order to find differences to randomly generated networks and thus deduce constraints of the biologically relevant network. The optimization of a Boolean model from a curated network against early reprogramming gene expression profiles reveals profound insights into the first steps and most important factors of the process. The transcription factor SP1 emerges to play an important role in the induction of an intermediate, transcriptionally inactive state. A probabilistic Boolean network (PBN) illustrates the interplay of transcriptional and epigenetic regulatory processes in order to explain pluripotency and cell lineage decisions in reprogramming and differentiation. Explanations for the low reprogramming efficiencies are tried.

La transplantation d’hépatocytes représente une alternative à la transplantation hépatique pour le traitement de certaines maladies métaboliques dont l’hypercholestérolémie familiale. Les cellules souches embryonnaires (ES) et les cellules souches pluripotentes induites (iPS) humaines représentent de nouvelles sources de cellules hépatiques. Nous avons mis au point une approche de différenciation des cellules souches humaines en cellules hépatiques et généré ainsi des cellules dérivées de cellules iPS de patients atteints d’hypercholestérolémie familiale. / Hepatocyte transplantation represents an alternative to liver for the treatment of metabolic diseases including familial hypercholesterolaemia. Embryonic stem cells (ES) and induced pluripotent stem cells (iPS) represent new sources of hepatic cells. We have developed an approach to differentiate human stem cells into hepatic cells and thus we have generated hepatic cells derived from iPS of familial hypercholesterolaemia patients.