Die myeloische Entwicklung wird durch die Familie der Transkriptionsfaktoren CCAAT/Enhancer-Binding-Protein (C/EBP) reguliert. Eine aberrante Expression oder Funktion von C/EBPs stört die normale myeloische Differenzierung und wird bei vielen Arten hämatopoetischer Malignome beobachtet. Mutationen von CEBPA führen zu einem veränderten Expressionsanteil der verkürzten Isoform C/EBPa p30 und werden bei etwa 15% der AML-Patienten (akute myeloische Leukämie) nachgewiesen. Obwohl die verkürzte Isoform C/EBPα p30 als Onkogen identifiziert wurde da sie die Proliferation myeloischer Vorläufer fördert, behält sie dennoch eine Differenzierungsfunktion. Unser Interesse gilt der Frage, wie diese beiden Funktionen von C/EBPα p30 reguliert werden. Die C/EBP-Familie gehört der Gruppe intrinsisch ungeordneter Proteine an, die zudem viele posttranslationale Modifikationen (PTMs) aufweisen. PTMs auf C/EBPα verändern seine biologische Funktionsweise stark. Frühere Forschungsarbeiten haben drei Argininreste am N-Terminus von C/EBPα p30 identifiziert, die aufgrund des Methylierungsstatus differentiell mit anderen Proteinen interagieren. In dieser Arbeit untersuchen wir den Einfluss der C/EBPα p30 Arginin-Methylierung auf seine pro-leukämische Aktivität sowie dessen Fähigkeit zur Neuausrichtung der hämatopoietischen Differenzierungslinie. Mit Hilfe von Aminosäuresubstitutionen fanden wir heraus, dass C/EBPα p30 Mutanten der Methylierungsmimesis oder Ladungsabschaffung die myeloische Differenzierung verstärkt, während Ladungserhalt-Mutanten die Erneuerung und Proliferation hämatopoetischer Stamm-/Vorläuferzellen unterstützt. Transkriptionelles Profiling von Zellen, die mutierte C/EBPα -p30-Varianten exprimieren, deutet auf potenzielle Ziele der methyliertem bzw. unmethyliertem C/EBPα p30 hin. Die Ergebnisse legen nahe, dass der Arginin-Methylierungsstatus das Leukämie- und Differenzierungs-Potenzial von C/EBPα p30 verändert und somit ein neues Ziel der Leukämietherapie darstellen könnten. / Myeloid development is regulated by the family of transcription factors CCAAT/enhancer-binding-protein (C/EBP). Aberrant expression or functioning of C/EBPs disturbs normal myeloid differentiation and is found in many types of hematopoietic malignancies. Mutations of CEBPA lead to imbalanced expression of the truncated isoform C/EBPα p30 and are found in approximately 15% of AML (acute myeloid leukemia) patients. Yet, how C/EBPα participates in leukemic progression remains to be discovered. More specifically, the truncated isoform C/EBPα p30, although being identified as an oncogenic isoform that promotes proliferation of myeloid progenitors, still retains differentiation function. The question of how both functions of C/EBPα p30 are regulated, is of our interest. C/EBP family also represents a group of intrinsically disordered proteins, which contain many post-translational modifications (PTMs). PTMs on C/EBPα greatly alter its functioning. Previous works have identified three arginine residues at the N-terminus of C/EBPα p30 that interact differently with others protein dependent on their methylation status. We hypothesize, that methylation of these arginine residues plays important roles in the biology of C/EBPα p30. In this study, we used a lymphoid-to-myeloid transdifferentiation (LMT) system to investigate the influence of arginine-methylation on C/EBPα-induced lineage switch and its pro-leukemic activity. Using amino acid substitution, we found that C/EBPα p30 mutants that resemble arginine-methylated p30 enhanced myeloid differentiation, while the charge-retention mutant, resembling arginine-unmethylated p30, supported renewability and proliferation of hematopoietic progenitors. Transcriptional profiling of cells expressing C/EBPα p30 variants suggested potential targets of either methylated or unmethylated p30. The results implied that arginine methylations alter C/EBPα p30’s leukemic potential and might comprise novel targets of leukemia therapy.

Genetisch bedingte Veränderungen im Wnt-Signalweg sind in der Tumorigenese des Darms von zentraler Bedeutung. Mutationen des Wnt-Effektormoleküls β-Catenin in den adulten Stammzellen des Darmepithels führen zu unkontrollierter Proliferation und Expansion der Darmstammzellen und initiieren die Tumorentstehung. Auch in fortgeschrittenen Darmtumoren unterstützt die Wnt-Signalgebung maßgeblich das Tumorwachstum und den Erhalt von Tumorstammzellen. Nach erfolgreicher chemotherapeutischer Behandlung treten oftmals Tumorrezidive auf, für deren Entstehung therapieresistente Tumorstammzellen verantwortlich gemacht werden. Trotz intensiver Forschung fehlen in der Darmkrebstherapie nach wie vor Behandlungsansätze zur gezielten Therapie der Tumorstammzellen. Ziel dieser Dissertation ist es, unser Verständnis der molekularen Regulationsmechanismen in Kolonkarzinomen zu erweitern und die Entwicklung rationaler Behandlungsstrategien zu fördern. Ich konnte die Histonmethyltransferase Mll1 als entscheidenden Faktor in der epigenetischen Regulation humaner und muriner Darmkrebsstammzellen und -tumore identifizieren. Humane Kolonkarzinome weisen eine erhöhte Mll1-Expression auf, die mit dem Level an nukleärem β-Catenin korreliert. Im adulten Darmepithel ist Mll1 insbesondere in den Lgr5+ Stammzellen exprimiert und maßgeblich an der Wnt/β-Catenin-induzierten Stammzellexpansion sowie der Tumorentstehung beteiligt. Der konditionelle Verlust von Mll1 im murinen Darmkrebsmodell verhindert die β-Catenin-induzierte Tumorigenese. Mll1 unterstützt die Selbsterneuerungsfähigkeit und Proliferation der Tumorstammzellen, indem es die Expression von essentiellen Stammzellgenen wie dem Wnt-abhängigen Stammzellmarker Lgr5 aufrechterhält. Eine Inhibition der Mll1-Funktion in der Darmkrebstherapie kann eine gezielte Eliminierung der Tumorstammzellen ermöglichen, wodurch das fortschreitende Tumorwachstum unterbunden und die Bildung von Rezidiven verhindert werden kann. / Genetic mutations inducing aberrant activity of Wnt signalling are causative for intestinal tumorigenesis. Mutations of the Wnt effector molecule β-catenin in adult stem cells of the intestinal epithelium drive uncontrolled proliferation, expand the stem cell pool and initiate tumor formation. In advanced tumors, aberrant Wnt signalling promotes tumor growth and maintains cancer stem cells. The cancer stem cells are highly resistant to conventional chemotherapy and frequently initiate tumor relapse after completion of treatment. Despite extensive research, we are still lacking efficient therapies for colon cancer that specifically eliminate the cancer stem cells. This dissertation aims to expand our knowledge on molecular gene regulatory mechanisms in colon cancer cells to promote the identification and future development of rational therapies for colon cancer patients. I identified the histone methyltransferase Mll1 as an epigenetic regulator in human and mouse intestinal cancer stem cells and tumors. Human colon carcinomas with nuclear β-catenin exhibit high levels of Mll1. In the adult intestinal epithelium of mice, Mll1 is highly expressed in the Lgr5+ stem cells and is a prerequisite for the oncogenic Wnt/β-catenin-mediated stem cell expansion and tumorigenesis. Conditional knockout of Mll1 in an intestinal mouse tumor model prevents the β-catenin-driven intestinal tumorigenesis. Knockdown of Mll1 impairs the self-renewal and proliferation of colon cancer sphere cultures and halts tumor growth in xenografts. Mechanistically, Mll1 sustains the expression of intestinal stem cell genes including the Wnt/β-catenin target gene Lgr5 by antagonizing gene silencing through polycomb repressive complex 2-mediated H3K27 tri-methylation. Interfering with Mll1 function can efficiently eliminate colon cancer stem cells, and has potential as a rational therapy for colon cancer.

The association between extent of chronic cannabis use (CCU-extent) and cognitive impairment among adolescents has been the subject of controversial debate. Linking DNA methylation to CCU-extent could help to understand cannabis associated changes in cognitive performance. We analyzed cognitive task performances, CpG methylation in peripheral whole-blood samples and self-reported past-year CCU-extent of n = 18 adolescents (n = 9 psychiatric outpatients with chronic cannabis use (CCU), n = 9 without) who were matched for age, gender and psychiatric disorders. Patients with CCU were at least 24 h abstinent when cognitive tasks were performed. A Principal Component Analysis (PCA) was carried out to identify group differences in whole genome DNA methylation. Mediation analyses were performed between CCU-extent associated CpG sites and CCU-extent associated variables of cognitive tasks. PCA results indicated large differences in whole genome DNA methylation levels between the groups that did not reach statistical significance. Six CpG sites revealed reduced methylation associated with CCU-extent. Furthermore, CCU-extent was associated with lower scores in verbal learning. All six CpG sites mediated the effects between CCU-extent and verbal learning free recall. Our results indicate that CCU is associated with certain patterns in the methylome. Furthermore, CCU-extent associated impairments in memory function are mediated via differential methylation of the six CCU-associated CpG sits. Six identified CpG are located in genes previously described in the context of neurodegeneration, hippocampus-dependent learning and neurogenesis. However, these results have to be carefully interpreted due to a small sample size. Replication studies are warranted.

Der Transkriptionsfaktor CCAAT/Enhancer Binding Protein beta (C/EBPbeta) reguliert die Genexpression, Proliferation und Differenzierung in verschiedenen Zelltypen. Die Funktion von C/EBPbeta wird durch Interaktionen mit einer Reihe von Kofaktoren moduliert, die Bestandteile von Chromatin-verŠndernden oder Transkriptions-regulierenden makromolekularen Maschinen sind. Die Identifikation und funktionelle Charakterisierung dieser Kofaktoren trŠgt ma§geblich zum VerstŠndnis der Biologie von C/EBPbeta bei. C/EBPbeta wird zudem in vielfŠltiger Weise posttranslational reguliert. Beispielsweise kann C/EBPbeta phosphoryliert, SUMOyliert, acetyliert und an mehreren Positionen an Arginin- und Lysinresten methyliert werden. Die SUMOylierung von C/EBPbeta gilt als SchlŸsselmodifikation, die nachfolgende Modifikationen steuert und zu einer VerŠnderung der genregulatorischen Eigenschaften von C/EBPbeta fŸhrt. C/EBPbeta bindet an zwei Enzyme der SUMOylierungsmaschinerie, Ubc9 und PIAS3. Es konnte gezeigt werden, dass PIAS3 nicht nur als E3-Ligase bei der SUMOylierungsreaktion dient, sondern auch mit SUMO-modifiziertem C/EBPbeta interagieren und als transkriptioneller Repressor wirken kann. Um weitere Interaktionspartner von C/EBPbeta zu identifizieren wurde ein System zur Proteom-weiten Identifikation von Bindungspartnern etabliert. Dazu wurden radioaktiv markierbare Proteinsonden hergestellt, welche die Identifikation von Bindungspartnern auf Protein-Macroarrays ermšglichten. Neben der transaktivierenden DomŠne (TAD) wurde die regulatorische Region in ihrer SUMOylierten und nicht-modifizierten Form in Screening-Experimenten eingesetzt. Eine Vielzahl von neuen C/EBPbeta-Bindungspartnern konnte identifiziert werden, wobei die konstitutive SUMOylierung C/EBPbeta-Interaktionen verŠndern kann. Bei den identifizierten Proteinen handelt es sich um Mitglieder der Polycomb Gruppe, Chromatin-modifizierende Enzyme, SignaltransduktionsmolekŸle und transkriptionelle Koregulatoren. Wissenschaftlich besonders interessant war die Identifikation der Lysin-Methyltransferase H3-K9-HMTase 3 (G9a) als Bindungspartner der transaktivierenden Region von C/EBPbeta. Diese Interaktion wurde durch GST-Bindungs- und KoimmunoprŠzipitationsstudien bestŠtigt. Durch massenspektrometrische Analysen konnte Monomethylierung der AminosŠuren K39 und K168 in C/EBPbeta nachgewiesen werden. Dadurch ergab sich die Vermutung, dass G9a nicht nur die Methylierung von Histon H3 katalysiert, sondern auch fŸr die Methylierung und Regulation von C/EBPbeta verantwortlich ist. Rekombinantes C/EBPbeta konnte durch G9a in vitro methyliert werden. Koexpression von C/EBPbeta und G9a fŸhrte zu einer Reduktion der transaktivierenden Eigenschaften von C/EBPbeta in AbhŠngigkeit von der katalytischen SET-DomŠne von G9a. Dieser Reduktion konnte durch Mutation der AminosŠuren K39 und K168 in Alanin entgegengewirkt werden. Als Bindungspartner der C/EBPbeta TAD konnte au§erdem die intrazellulŠre DomŠne von Notch1 (Notch1-ICD) identifiziert werden. Der Notch-Signalweg ist ein evolutionŠr konservierter Genschalter, der an vielen Entscheidungen in der Entwicklung sowie bei physiologischen und pathophysiologischen Prozessen im adulten Organismus, wie z. B. akuter lymphatischer T-Zell LeukŠmie (T-ALL), beteiligt ist. Die Interaktion zwischen Notch1-ICD und C/EBPbeta konnte in GST-Bindungsexperimenten und KoimmunoprŠzipitationsstudien verifiziert werden. In Reportergenstudien wurde eine Stimulation der C/EBPbeta-abhŠngigen Transkription durch Notch1-ICD beobachtet. C/EBPbeta ist demnach ein ZielmolekŸl des Notch1-Signalweges. / The transcription factor CCAAT/Enhancer Binding Protein beta (C/EBPbeta) regulates gene expression, proliferation and differentiation of various cell types. The function of C/EBPbeta is modulated by a number of co-factors which are components of macromolecular machines that alter the state of chromatin or that regulate gene transcription. Identification and functional characterisation of these co-factors is crucial for understanding the biology of C/EBPbeta. C/EBPbeta is regulated by a number of posttranslational modifications and can be found in phosphorylated, SUMOylated, acetylated and arginine- or lysine-methylated forms. SUMOylation of C/EBPbeta is considered a key modification which controls subsequent modifications. These modifications alter the gene regulatory functions of C/EBPbeta. C/EBPbeta binds two enzymes of the SUMOylation machinery, Ubc9 and PIAS3. This study shows that PIAS3 not only has E3-ligase activity during the SUMOylation of C/EBPbeta, but also interacts with SUMO-modified C/EBPbeta leading to repression of transcription. A proteome-wide screening procedure was established to identify novel interaction partners of C/EBPbeta. It was based on radioactively labelled proteins that can be utilized as probes to identify binding partners on solid phase protein-macroarrays. The C/EBPbeta transactivation domain (TAD) and its regulatory region in SUMOylated and non-SUMOylated form were used in different screening approaches. Using this procedure a number of novel C/EBPbeta interaction partners were identified, that depended in part on the SUMOylation status of C/EBPbeta. The major part of the C/EBPbeta-interacting proteins are members of the Polycomb group, chromatin-modifying enzymes, signal transduction molecules and transcriptional co-regulators. Interestingly, the lysine-methyltransferase H3-K9-HMTase 3 (G9a) was among the binding partners of C/EBPbeta that interacted with the TAD. This interaction was verified by GST-pulldown and co-immunoprecipitation studies. Mass spectrometrical analysis identified the amino acids K39 and K168 of C/EBPbeta to be mono-methylated. Therefore it was speculated that G9a not only catalyzes the methylation of Histone H3 but may also methylate and regulate C/EBPbeta. Indeed, recombinant C/EBPbeta could be methylated by G9a in vitro. Co-expression of C/EBPbeta and G9a resulted in a reduction of the transactivating potential of C/EBPbeta, which depended on the catalytical SET domain of G9a. This reduction could be counteracted by mutating the amino acids K39 and K168 to alanine. In addition to G9a, the Notch1 intracellular domain (Notch1-ICD) could also be identified as a novel binding partner of the C/EBPbeta TAD. Notch is a component of an evolutionary conserved pathway that acts on numerous physiological and pathophysiological processes during development and in the adult, e.g. T-cell acute lymphoblastic leukemia (T-ALL). The interaction between Notch1-ICD and C/EBPbeta could be verified in GST-pulldown studies and by co-immunoprecipitation. Reporter gene studies showed a stimulation of C/EBPbeta-dependent transcription through Notch1-ICD. C/EBPbeta is therefore a novel target molecule of the Notch1 signaling pathway.

Protein Methyltransferasen sind oftmals fehlreguliert in Tumorzellen und stellen potenzielle Ziele in der Krebstherapie dar. Das SET und MYND Domain enthaltene Protein 2 (SMYD2) wurde als potenzielles Onkogen beschrieben und eine Überexpression korreliert mit einer schlechten Prognose. Für SMYD2 wurden verschiedene Substrate beschrieben u.a. Histon H3 und der Tumorsuppressor p53, allerdings ist die Biologie dieses Enzymes kaum verstanden. Durch die Entwicklung einer Testsubstanz zur spezifischen Hemmung von SMYD2 könnte ein möglicher therapeutischer Nutzen besser untersucht werden. Hierfür wurde ein zellulärer mechanistischer Test zur Messung der SMYD2 Aktivität mittels eines methylierungs-spezifischen Antikörpers etabliert. Mit Hilfe dieses Tests wurde BAY-598 als selektiver und potenter zellulärer Hemmer für SMYD2 identifiziert. Im weiteren Verlauf dieser Arbeit wurden mittels eines Proteomansatzes nach SMYD2 Überexpression hunderte neue zelluläre Lysinmethylierungen identifiziert. Hierbei wurde das AHNAK Protein als neues SMYD2-Substrat identifiziert und validiert. Die AHNAK Methylierung konnte in verschiedenen Zelllinien und im Muskelgewebe von Mäusen nachgewiesen werden. Im letzten Teil der Arbeit wurde die spezifische Testsubstanz BAY-598 genutzt, um verschiedene in der Literatur aufgekommene Hypothesen zur SMYD2 Funktion zu testen. Die vorliegende Arbeit hat dazu beigetragen die potente und selektive SMYD2 Testsubstanz BAY-598 zu entwickeln. Außerdem wurde mit AHNAK ein neues SMYD2 Substrat identifiziert und validiert. Die Relevanz des SMYD2 Enzymes und der AHNAK Methylierung erfordert weitere Forschungsarbeit, die durch die Bereitstellung der spezifischen Testsubstanz BAY-598 deutlich verbessert werden sollte. / Protein methyltransferases are often misregulated in tumor cells and display a potential target for cancer therapy. The SET and MYND domain containing protein 2 (SMYD2) was described as a potential oncogene and overexpression correlated with a worse prognosis. Several substrates for SMYD2 had been described among them histone H3 and p53. However, the biology of SMYD2 is poorly understood. By developing a small molecule inhibitor of SMYD2 its therapeutic role could be better evaluated. Therefore, a cellular mechanistic assay was developed using a methylation specific antibody. With that assay BAY-598 was identified as a potent and selective cellular inhibitor of SMYD2. In the following a proteomic approach revealed hundreds of novel cellular lysine methylation sites in SMYD2 overexpression cells. Among these AHNAK protein was validated as a novel SMYD2 substrate, which was present in several cell lines as well as in muscle of mice. Finally, BAY-598 was used to test several hypothesized functions of SMYD2 in different cell line models. Taken together, the current work strongly supported the development of the probe inhibitor BAY-598 and the discovery of AHNAK as a novel SMYD2 methylation substrate. The relevance of SMYD2 and AHNAK methylation needs further investigation, which should be supported by BAY-598.

Zusammenfassung Die Asteraceae Brachycome dichromosomatica ist eine besonders geeignete Spezies, um B-Chromosomen zu analysieren. Die auf den B-Chromosomen-lokalisierte 45S rDNA wurde auf Ursprung und Funktion untersucht. Die Mikrodissektion von B-Chromosomen und PCR-Amplifikation ermöglichte es, B-Chromosomen-spezifische ITS2-Sequenzen der 45S rDNA zu erhalten. Auffallend bei dieser Analyse waren zwei beständige Differenzen zwischen den Sequenzen von A- und B-Chromosomen. Phylogenetische Untersuchungen identifizierten keine Spezies, die eine ITS2-Sequenz hatte, die ähnlicher zu der B-Chromosomen-ITS2-Sequenz war als die A-Chromosomen-ITS2-Sequenz von B. dichromosomatica. Es wurde ein Ursprung der B-Chromosomen in der Zeit vor der Ausbildung der vier Cytodeme von B. dichromosomatica postuliert. Die Analyse der Assoziationen von Mikro-B-Chromosomen mit dem Nukleolus ergab, dass 70% der Mikro-B-Chromosomen nicht mit dem Nukleolus assoziierten. Die hohe Frequenz von nichtassoziierten Mikro-B-Chromosomen weist auf eine Inaktivität der Mikro-B-Chromosomen-lokalisierten 45S rDNA hin. Die Immunfluoreszenzmarkierung zeigte, dass sich das Chromatin der A- und B-Chromosomen deutlich in der euchromatischen Histon-H3-Methylierung unterscheidet. Während die A-Chromosomen deutliche Immunfluoreszenzsignale aufwiesen, zeigten die Mikro-B- und Standard-B-Chromosomen nur eine schwache Markierung mit Antikörpern gegen Histon H3K4me1,2,3, H3K9me3 und H3K27me2,3. Die heteropygnotischen, mit Tandem-Repeats angereicherten Mikro-B-Chromosomen waren dabei noch weniger mit diesen euchromatischen Markierungen gekennzeichnet als die Standard-B-Chromosomen. Keine Unterschiede zwischen den A- und B-Chromosomen wurden für die heterochromatischen Markierungen Histon H3K9me1,2 und H3K27me1 gefunden, was darauf hinweist, dass die B-Chromosomen nicht spezifisch durch zusätzliche heterochromatische Histonmarkierungen gekennzeichnet sind. / Summary The Asteraceae Brachycome dichromosomatica is a suitable species for the analysis of B chromosomes (Bs). The origin and activity of micro B-located 45S rDNA of was analysed. Microisolation of Bs and PCR with internal transcribed spacer 2 (ITS2)-specific primers succeeded in the isolation of B-specific ITS2-sequences. ITS2 was sequenced for micro B, large B and A chromosomes, and conserved differences were identified between sequences originating from A and both types of Bs. Phylogenetic analysis did not identify a species that contained an ITS2 sequence that was more similar to either of the B’s sequences than that of the B. dichromosomatica A chromosomes (As). Thus, an origin of the Bs from As at a time prior to the divergence of the four cytodemes of B. dichromosomatica is suggested. Because 70% of micro Bs did not co-localize with the nucleolus I conclude that micro B-located 45S rDNA is not constitutively transcribed. Immunofluorescence demonstrates that the chromatin in A and both types of Bs differs markedly in euchromatic histone H3 methylation marks. While A chromosomes are labelled brightly, the micro B and large Bs are faintly labelled with antibodies against H3K4me2/3, H3K9me3 and H3K27me2/3. The heteropycnotic, tandem-repeat enriched micro Bs were even less labelled with euchromatic histone H3 methylation marks than large Bs. No differences between A and Bs were found as to the heterochromatic marks H3K9me1/2 and H3K27me1, indicating that Bs are not additionally labelled by heterochromatin typical histone H3 modifications. 1

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DNA methylation is an essential epigenetic feature for the regulation and maintenance of heterochromatin. Satellite DNA is a repetitive sequence component that often occurs in large arrays in heterochromatin of subtelomeric, intercalary and centromeric regions. Knowledge about the methylation status of satellite DNA is important for understanding the role of repetitive DNA in heterochromatization. In this study, we investigated the cytosine methylation of the ancient satellite family pEV in the wild beet Beta procumbens. The pEV satellite is widespread in species-specific pEV subfamilies in the genus Beta and most likely originated before the radiation of the Betoideae and Chenopodioideae. In B. procumbens , the pEV subfamily occurs abundantly and spans intercalary and centromeric regions. To uncover its cytosine methylation, we performed chromosome-wide immunostaining and bisulfite sequencing of pEV satellite repeats. We found that CG and CHG sites are highly methylated while CHH sites show only low levels of methylation. As a consequence of the low frequency of CG and CHG sites and the preferential occurrence of most cytosines in the CHH motif in pEV monomers, this satellite family displays only low levels of total cytosine methylation.

AREG und EREG sind Liganden des EGFR, deren Expression mit einem positiven EGFR-zielgerichtetem Therapieansprechen in Darmkrebs korreliert. Ziel dieser Arbeit war es, einen epigenetischen Einfluss auf die AREG und EREG Expression zu klären. Es wurde gezeigt, dass AREG und EREG in verschiedenen kolorektalen Krebszelllinien differenziell exprimiert sind, und dass die Expression beider Gene durch epigenetische Inhibitoren erhöht werden kann. Eine Analyse in fünf Zelllinien zeigte jedoch, dass die Promotoren beider Gene hauptsächlich unmethyliert vorlagen. Hingegen wurden kurze Regionen im Gen als differentiell methyliert identifiziert. Im AREG Gen liegt diese Region im Exon 2, was auf einen ungewöhnlichen Regulationsmechanismus hindeutet. Promotorfunktionsanalysen zeigten dann, dass diese Region eine methylierungs- und orientierungsabhängige Promotorfunktion hat, in die das MDB-Protein CTCF involviert sein könnte. Expressionsanalysen wiesen darauf hin, dass auch ZBTB33, ein anderes MDB-Protein, in die AREG Regulation involviert sein könnte. Die ZBTB33 Expression korrelierte negativ mit der AREG Expression in den Zelllinien. Eine ZBTB33-Bindungsstelle konnte ausserdem bioinformatorisch im AREG Exon 2 identifiziert werden. Des weiteren wurde gezeigt, dass die Behandlung der Zelllinie LIM1215 mit HDAC Inhibitoren in vitro zu einer Erhöhung der Sensitivität gegenüber EGFR-zielgerichteten Medikamenten führt, begleitet von einer Erhöhung der AREG und EREG Expression. Im in vivo Versuch konnte die Sensitivität von LIM1215 Zellen durch die Behandlung mit DNMT Inhibitoren erhöht werden. Begleitet wurde dies hier mit einer Verringerung der Methylierung der AREG und EREG intragenischen CpGs. Diese Ergebnisse zeigen auf, dass Patienten, die resistent gegenüber EGFR-zielgerichteten Therapien sind, möglicherweise sensitiv gemacht werden können. In dem Fall könnten AREG und EREG als prädiktive Marker eingesetzt werden, um den Effekt der epigenetischen Inhibitoren zu evaluieren. / AREG and EREG are ligands of the EGFR whose expression correlates with a positive EGFR-targeted therapy response in colorectal cancer. Aim of this work was to define the influence of epigenetic mechanisms on AREG and EREG gene expression. It could be shown that AREG and EREG are differentially expressed in a set of colorectal cancer cell lines and that the expression of both genes increases after treatment with epigenetically interfering compounds such as DNMT inhibitors and HDAC inhibitors. Methylation analysis showed that the promoters of both genes were mainly unmethylated. Nevertheless, short intragenic regions were identified to be differentially methylated. For AREG, this region is located within exon 2, indicating an uncommon epigenetic regulatory mechanism. Promoter function analyses showed that the AREG exon 2 region harbor methylation- and orientation dependent promoter function and they suggested CTCF, an MDB-protein, to be involved in this mechanism. Expression analysis experiments suggested also ZBTB33, another MDB-protein, to be involved in AREG regulation. ZBTB33 was differentially expressed in the cells and it correlated inversely with the AREG expression. Additionally, bioinformatic analyses identified a ZBTB33 binding site within AREG exon 2. It was also shown in this work that LIM1215 cells treated with HDACis were more sensitive towards EGFR inhibitors in vitro. This effect was accompanied by an increased AREG and EREG expression. In vivo, an increased sensitivity towards EGFR inhibitors was achieved in LIM1215 cells by treatment with a DNMT inhibitor. Here the effect was accompanied by a reduced methylation within the AREG and EREG intragenic CpGs. Together, the results suggested a new possibility to potentially make EGFR-targeted therapy resistant patients suitable for this therapy by epigenetic compound treatment. In that case AREG as well as EREG might be predictive markers to evaluate the effect of the epigenetic compounds during therapy.

Adipositas ist eine polymorphe chronische Erkrankung mit epidemischer Prävalenz. Im katabolen Leptin-Melanocortin-Signalweg ist das Proopiomelanocortin Gen (POMC) ein zentrales Element, das bei Dysfunktion massive Adipositas bewirken kann. Auch eine kürzlich identifizierte intragenische Methylierungsvariante des POMC wurde mit Adipositas assoziiert und deutet somit auf eine mögliche epigenetische Modulation des Gewichtsphänotyps hin. Zur Aufklärung der Relevanz, Stabilität und Entwicklung dieser epigenetischen Modifikation wurden die Funktionalität, Ontogenese und Phylogenese der POMC DNA-Methylierung untersucht. In vitro Analysen zeigten DNA-Methylierungsabhängige Promoteraktivität beider CpG-Inseln (CGIs) des POMC. Diese hier erstmals beschriebene Transkriptionsaktivität der intragenischen CGI weist auf einen alternativen Promoter des POMC hin. Hinsichtlich der Ontogenese konnten in Mensch und Maus postnatal stabile DNA-Methylierungsmuster mit interindividueller Konservierung für beide CGIs des POMC identifiziert werden. Zusätzlich erwiesen sich Gewebeunabhängigkeit der DNA-Methylierungsmuster und ihre pränatale Ausbildung zwischen dem Blastocystenstadium und der frühen Organogenese in der Maus. Die POMC DNA-Methylierungsmuster upstream des Exon3 unterscheiden sich in Mensch und Maus. Der mögliche Einfluss von primatenspezifischen Alu-Elementen im Intron2 des POMC hierauf wurde in verschiedenen Primatenfamilien analysiert. Die Ergebnisse zeigen eine bedingte Assoziation der Alu-Elemente mit der DNA-Methylierung in der entsprechenden Region, lassen jedoch auch weitere Einflussfaktoren vermuten. Insgesamt zeigt diese Arbeit, dass die POMC DNA-Methylierung artspezifisch konserviert ist und in der frühen Embryogenese, vermutlich Alu-abhängig, ausgebildet wird. Dabei könnten stochastische Variationen der DNA-Methylierung die POMC-Aktivität beeinflussen und somit das Risiko für Adipositas erhöhen. / Obesity is a polymorphic chronic disease with epidemic prevalence. Within the catabolic leptin-melanocortin signaling pathway pre-proopiomelanocortin (POMC) is a pivotal element. Dysfunction of POMC, e.g. due to mutations, can cause severe obesity. Moreover, a recently identified intragenic methylation variant of POMC was found to be associated with obesity. Therefore, this indicates potential epigenetic modulation of the weight phenotype. To gain further insight into the relevance, stability, and origin of this epigenetic modification, the functionality, ontogenesis, and phylogenesis of the POMC DNA methylation patterns were analyzed. In vitro analyses revealed DNA methylation-dependent promoter activity of both CpG islands (CGIs) of POMC. Thereby, the intragenic CGI was identified as a potential alternative promoter of POMC, which has not been described before. Regarding the ontogenesis, postnatally stable POMC DNA methylation patterns with interindividual conservation were detected for both CGIs in humans and mice. In addition, it was observed that the POMC DNA methylation patterns are non-tissue-specific, stable upon long time administration of a high fat diet, and develop prenatally between the blastocystal stage and the early organogenesis. The POMC DNA methylation pattern upstream of exon3 differs in humans and mice. A possible influence of primate-specific Alu elements within the intron2 region of POMC was analyzed in various primate families. Results evince a partial association of the Alu elements with the DNA methylation pattern in this particular region, but also suggest an influence of additional factors. Overall, this work demonstrates that DNA methylation of the POMC locus is species-specific highly conserved, and that it is established during early embryogenesis, possibly Alu-triggered. In the course of this, stochastic variances of the POMC DNA methylation might influence the POMC activity and consequently alter the risk to develop obesity.