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Das Harnblasenkarzinom (BCa) stellt in Deutschland die vierthäufigste Tumorneuerkrankung und die zehnthäufigste krebsbedingte Todesursache bei Männern dar. Nichtmuskelinvasive BCa werden organerhaltend aus der Blasenwand entfernt und zur Rezidiv- und Progressionsprophylaxe mittels intravesikaler Chemo- oder Immuntherapien behandelt. Trotz dieser adjuvanten Therapien, die mit starken Nebenwirkungen verbunden sein können, ist nur eine bedingte Minimierung des Rezidivrisikos möglich. Besonders im fortgeschrittenen Stadium weisen Harnblasenkarzinome eine schlechte Prognose auf. Obwohl das BCa eine chemosensitive Erkrankung darstellt, wird das Ansprechen auf lokale oder systemische Chemotherapien häufig durch auftretende Resistenzmechanismen limitiert. Daher stehen sowohl die Verbesserung konventioneller Chemotherapien als auch die Suche nach neuartigen Behandlungsstrategien im Fokus der experimentellen BCa-Forschung. Die Apoptose, eine Form des programmierten Zelltodes, ist ein essenzieller, streng regulierter biologischer Prozess, welcher der Aufrechterhaltung der Gewebshomöostase und der gezielten, entzündungsfreien Eliminierung geschädigter Zellen dient. Fehlregulationen in den Apoptosesignalwegen stellen ein zentrales Ereignis in der Tumorgenese dar und tragen außerdem zur Entstehung von Chemo- und Radiotherapieresistenzen bei. Eine wichtige Rolle in der Apoptoseregulation spielen die Mitglieder der BCL2- und der Inhibitor of Apoptosis Protein (IAP)-Familien, deren wichtigste antiapoptotische Vertreter BCL2, BCL-XL, XIAP und Survivin häufig in Tumoren, einschließlich des BCa, überexprimiert sind. Unter Verwendung von small interfering RNAs (siRNAs), synthetischen Nukleinsäurekonstrukten zur selektiven Geninhibition, wurde im Rahmen der Arbeit in vitro und in vivo untersucht, ob die Hemmung der Apoptoseinhibitoren BCL2, BCL-XL, XIAP und Survivin – allein und in Kombination mit Chemotherapie – eine Therapieoption zur Behandlung des BCa darstellen könnte. Da zur Tumorentstehung und -progression eine Vielzahl von genetischen Veränderungen beitragen, erscheint der Angriff eines einzelnen Zielgens unzureichend für eine effektive Tumortherapie. Aufgrund dessen wurde untersucht, ob durch simultane Reduktion der ausgewählten Apoptoseinhibitoren in BCa-Zellen stärkere wachstumsinhibitorische Effekte erzielt werden können. In der vorliegenden Arbeit wurde gezeigt, dass insbesondere die siRNA-vermittelte Hemmung von BCL-XL und Survivin in den BCa-Zelllinien EJ28 und J82 antiproliferative Effekte hervorruft und diese Tumorzellen gegenüber einer nachgeschalteten Chemotherapie mit Mitomycin C oder Cisplatin sensitiviert. Hingegen bewirkte sowohl die transiente als auch die stabile RNAi-induzierte Hemmung von BCL2 und XIAP in den untersuchten BCa-Monolayerzellkulturen, möglicherweise infolge kontinuierlicher Versorgung der Tumorzellen mit Sauerstoff und Nährstoffen, keine Reduktion des Tumorwachstums. Eine gegenüber den Einzelbehandlungen deutliche Verstärkung der antitumoralen und insbesondere der chemosensitivierenden Effekte in den BCa-Zelllinien wurde durch simultane Hemmung von BCL-XL und Survivin erzielt. Beispielsweise stieg der Anteil apoptotischer Zellen von 64 % nach Survivin-siRNA+Cisplatin-Behandlung auf 94 % nach gleichzeitiger BCL-XL+Survivin-Inhibition in Kombination mit Cisplatin. Folglich stellt die simultane Inhibition von BCL-XL und Survivin in Kombination mit Chemotherapeutika eine äußert viel versprechende BCa-Therapieoption dar. Tierexperimentelle Studien belegen die wachstumsinhibitorische Wirkung der Survivin-Reduktion und der kombinierten BCL-XL-siRNA+Chemotherapie-Behandlung, so wurde das Tumorendvolumen im Vergleich zur Kontrollbehandlung um 43 % bzw. um 48 % reduziert.

Asymmetric positioning of the mitotic spindle in C. elegans embryos is mediated by force-generating complexes that are anchored at the plasma membrane and that pull on microtubules growing out from the spindle poles. Although asymmetric distribution of the force generators is thought to underlie asymmetric positioning of the spindle, the number and location of the force generators has not been well defined. In particular, it has not been possible to visualize individual force generating events at the cortex. We discovered that perturbation of the acto-myosin cortex leads to the formation of long membrane invaginations that are pulled from the plasma membrane toward the spindle poles. Several lines of evidence show that the invaginations, which also occur in unperturbed embryos though at lower frequency, are pulled by the same force generators responsible for spindle positioning. Thus, the invaginations serve as a tool to localize the sites of force generation at the cortex and allow us to estimate a lower limit on the number of cortical force generators within the cell.

For self-renewal, embryonic stem cells (ESCs) require the expression of specific transcription factors accompanied by a particular chromosome organization to maintain a balance between pluripotency and the capacity for rapid differentiation. However, how transcriptional regulation is linked to chromosome organization in ESCs is not well understood. Here we show that the cohesin component RAD21 exhibits a functional role in maintaining ESC identity through association with the pluripotency transcriptional network. ChIP-seq analyses of RAD21 reveal an ESC specific cohesin binding pattern that is characterized by CTCF independent co-localization of cohesin with pluripotency related transcription factors Oct4, Nanog, Sox2, Esrrb and Klf4. Upon ESC differentiation, most of these binding sites disappear and instead new CTCF independent RAD21 binding sites emerge, which are enriched for binding sites of transcription factors implicated in early differentiation. Furthermore, knock-down of RAD21 causes expression changes that are similar to expression changes after Nanog depletion, demonstrating the functional relevance of the RAD21 - pluripotency transcriptional network association. Finally, we show that Nanog physically interacts with the cohesin or cohesin interacting proteins STAG1 and WAPL further substantiating this association. Based on these findings we propose that a dynamic placement of cohesin by pluripotency transcription factors contributes to a chromosome organization supporting the ESC expression program.

The eukaryotic cell cycle orchestrates the precise duplication and distribution of the genetic material, cytoplasm and membranes to daughter cells. In multicellular eukaryotes, cell cycle regulation also governs various organisatorial processes ranging from gametogenesis over multicellular development to tissue formation and repair. Consequently, defects in cell cycle regulation provoke a variety of human cancers. A global view of genes and pathways governing the human cell cycle would advance many research areas and may also deliver novel cancer targets. Therefore this work aimed on the genome-wide identification and systematic characterisation of genes required for cell cycle progression in human cells. I developed a highly specific and efficient RNA interference (RNAi) technology to realize the potential of RNAi for genome-wide screening of the genes essential for cell cycle progression in human tissue culture cells. This approach is based on the large-scale enzymatic digestion of long dsRNAs for the rapid and cost-efficient generation of libraries of highly complex pools of endoribonuclease-prepared siRNAs (esiRNAs). The analysis of the silencing efficiency and specificity of esiRNAs and siRNAs revealed that esiRNAs are as efficient for mRNA degradation as chemically synthesized siRNA designed with state-of-the-art design algorithms, while exhibiting a markedly reduced number of off-target effects. After demonstrating the effectiveness of this approach in a proof-of-concept study, I screened a genome-wide esiRNA library and used three assays to generate a quantitative and reproducible multi-parameter profile for the 1389 identified genes. The resulting phenotypic signatures were used to assign novel cell cycle functions to genes by combining hierarchical clustering, bioinformatics and proteomic data mining. This global perspective on gene functions in the human cell cycle presents a framework for the systematic documentation necessary for the understanding of cell cycle progression and its misregulation in diseases. The identification of novel genes with a role in human cell cycle progression is a starting point for an in-depth analysis of their specific functions, which requires the validation of the observed RNAi phenotype by genetic rescue, the study of the subcellular localisation and the identification of interaction partners of the expressed protein. One strategy to achieve these experimental goals is the expression of RNAi resistant and/or tagged transgenes. A major obstacle for transgenesis in mammalian tissue culture cells is the lack of efficient homologous recombination limiting the use of cultured mammalian cells as a real genetic system like yeast. I developed a technology circumventing this problem by expressing an orthologous gene from a closely related species including its regulatory sequences carried on a bacterial artificial chromosome (BAC). This technology allows physiological expression of the transgene, which cannot be achieved with conventional cDNA expression constructs. The use of the orthologous gene from a closely related species confers RNAi resistance to the transgene allowing the depletion of the endogenous gene by RNAi. Thus, this technology mimics homologous recombination by replacing an endogenous gene with a transgene while maintaining normal gene expression. In combination with recombineering strategies this technology is useful for RNAi rescue experiments, protein localisation and the identification of protein interaction partners in mammalian tissue culture cells. In summary, this thesis presents a major technical advance for large-scale functional genomic studies in mammalian tissue culture cells and provides novel insights into various aspects of cell cycle progression. (Die Druckexemplare enthalten jeweils eine CD-ROM als Anlagenteil: 217 MB: Movies, Rohdaten - Nutzung: Referat Informationsvermittlung der SLUB)

Das Harnblasenkarzinom (BCa) stellt in Deutschland die vierthäufigste Tumorneuerkrankung und die zehnthäufigste krebsbedingte Todesursache bei Männern dar. Nichtmuskelinvasive BCa werden organerhaltend aus der Blasenwand entfernt und zur Rezidiv- und Progressionsprophylaxe mittels intravesikaler Chemo- oder Immuntherapien behandelt. Trotz dieser adjuvanten Therapien, die mit starken Nebenwirkungen verbunden sein können, ist nur eine bedingte Minimierung des Rezidivrisikos möglich. Besonders im fortgeschrittenen Stadium weisen Harnblasenkarzinome eine schlechte Prognose auf. Obwohl das BCa eine chemosensitive Erkrankung darstellt, wird das Ansprechen auf lokale oder systemische Chemotherapien häufig durch auftretende Resistenzmechanismen limitiert. Daher stehen sowohl die Verbesserung konventioneller Chemotherapien als auch die Suche nach neuartigen Behandlungsstrategien im Fokus der experimentellen BCa-Forschung. Die Apoptose, eine Form des programmierten Zelltodes, ist ein essenzieller, streng regulierter biologischer Prozess, welcher der Aufrechterhaltung der Gewebshomöostase und der gezielten, entzündungsfreien Eliminierung geschädigter Zellen dient. Fehlregulationen in den Apoptosesignalwegen stellen ein zentrales Ereignis in der Tumorgenese dar und tragen außerdem zur Entstehung von Chemo- und Radiotherapieresistenzen bei. Eine wichtige Rolle in der Apoptoseregulation spielen die Mitglieder der BCL2- und der Inhibitor of Apoptosis Protein (IAP)-Familien, deren wichtigste antiapoptotische Vertreter BCL2, BCL-XL, XIAP und Survivin häufig in Tumoren, einschließlich des BCa, überexprimiert sind. Unter Verwendung von small interfering RNAs (siRNAs), synthetischen Nukleinsäurekonstrukten zur selektiven Geninhibition, wurde im Rahmen der Arbeit in vitro und in vivo untersucht, ob die Hemmung der Apoptoseinhibitoren BCL2, BCL-XL, XIAP und Survivin – allein und in Kombination mit Chemotherapie – eine Therapieoption zur Behandlung des BCa darstellen könnte. Da zur Tumorentstehung und -progression eine Vielzahl von genetischen Veränderungen beitragen, erscheint der Angriff eines einzelnen Zielgens unzureichend für eine effektive Tumortherapie. Aufgrund dessen wurde untersucht, ob durch simultane Reduktion der ausgewählten Apoptoseinhibitoren in BCa-Zellen stärkere wachstumsinhibitorische Effekte erzielt werden können. In der vorliegenden Arbeit wurde gezeigt, dass insbesondere die siRNA-vermittelte Hemmung von BCL-XL und Survivin in den BCa-Zelllinien EJ28 und J82 antiproliferative Effekte hervorruft und diese Tumorzellen gegenüber einer nachgeschalteten Chemotherapie mit Mitomycin C oder Cisplatin sensitiviert. Hingegen bewirkte sowohl die transiente als auch die stabile RNAi-induzierte Hemmung von BCL2 und XIAP in den untersuchten BCa-Monolayerzellkulturen, möglicherweise infolge kontinuierlicher Versorgung der Tumorzellen mit Sauerstoff und Nährstoffen, keine Reduktion des Tumorwachstums. Eine gegenüber den Einzelbehandlungen deutliche Verstärkung der antitumoralen und insbesondere der chemosensitivierenden Effekte in den BCa-Zelllinien wurde durch simultane Hemmung von BCL-XL und Survivin erzielt. Beispielsweise stieg der Anteil apoptotischer Zellen von 64 % nach Survivin-siRNA+Cisplatin-Behandlung auf 94 % nach gleichzeitiger BCL-XL+Survivin-Inhibition in Kombination mit Cisplatin. Folglich stellt die simultane Inhibition von BCL-XL und Survivin in Kombination mit Chemotherapeutika eine äußert viel versprechende BCa-Therapieoption dar. Tierexperimentelle Studien belegen die wachstumsinhibitorische Wirkung der Survivin-Reduktion und der kombinierten BCL-XL-siRNA+Chemotherapie-Behandlung, so wurde das Tumorendvolumen im Vergleich zur Kontrollbehandlung um 43 % bzw. um 48 % reduziert.

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Motivation: Although various high-throughput technologies provide a lot of valuable information, each of them is giving an insight into different aspects of cellular activity and each has its own limitations. Thus, a complete and systematic understanding of the cellular machinery can be achieved only by a combined analysis of results coming from different approaches. However, methods and tools for integration and analysis of heterogenous biological data still have to be developed. Results: This work presents systemic analysis of basic cellular processes, i.e. cell viability and cell cycle, as well as embryonic stem cell pluripotency and differentiation. These phenomena were studied using several high-throughput technologies, whose combined results were analysed with existing and novel clustering and hit selection algorithms. This thesis also introduces two novel data management and data analysis tools. The first, called DSViewer, is a database application designed for integrating and querying results coming from various genome-wide experiments. The second, named PhenoFam, is an application performing gene set enrichment analysis by employing structural and functional information on families of protein domains as annotation terms. Both programs are accessible through a web interface. Conclusions: Eventually, investigations presented in this work provide the research community with novel and markedly improved repertoire of computational tools and methods that facilitate the systematic analysis of accumulated information obtained from high-throughput studies into novel biological insights.