XPD is a 5‘-3‘ helicase of the superfamily 2. As part of the transcription factor IIH it functions in transcription initiation and nucleotide excision repair. This work focus on the role of XPD in nucleotide excision repair. NER is a DNA repair pathway unique for its broad substrate range. In placental mammals NER is the only repair mechanism able to remove lesions induced by UV-light. NER can be divided into four different steps that are conserved between pro- and eukaryotes. Step 1 consists of the initial damage recognition, during step 2 the putative damage is verified, in step 3 the verified damage is excised and in the 4th and final step the resulting gap in the DNA is refilled. XPD was shown to be involved in the damage verification step. It was possible to solve the first apo XPD structure by a MAD approach using only the endogenous iron from the iron sulfur cluster. Based on the apo XPD structure several questions arise: where is DNA bound? Where is DNA separated? How is damage verification achieved? What is the role of the FeS cluster? These questions were addressed in this work. Hypothesis driven structure based functional mutagenesis was employed and combined with detailed biochemical characterization of the variants. The variants were analyzed by thermal unfolding studies to exclude the possibility that the overall stability could be affected by the point mutation. DNA binding assays, ATPase assays and helicase assays were performed to delineate amino acid residues important for DNA binding, helicase activity and damage recognition. A structure of XPD containing a four base pair DNA fragment was solved by molecular replacement. This structure displays the polarity of the translocated strand with respect to the helicase framework. Moreover the properties of the FeS cluster were studied by electron paramagnetic resonance to get insights into the role of the FeS cluster. Furthermore XPD from Ferroplasma acidarmanus was investigated since it was shown that it is stalled at CPD containing lesions. The data provide the first detailed insight into the translocation mechanism of a SF2B helicase and reveal how polarity is achieved. This provides a basis for further anlayses understanding the combined action of the helicase and the 4Fe4S cluster to accomplish damage verification within the NER cascade. / XPD ist eine 5‘-3‘ Helicase der Superfamilie 2. Als Untereinheit des Transkriptionsfaktors IIH ist XPD in Transkriptionsinitiation und Nucleotid-Exzisions-Reparatur involviert. Diese Arbeit fokusiert auf die Rolle von XPD in der NER. NER ist ein DNA Reparatur Weg der bekannt ist für seine breite Substratspezifität. In Säugetieren ist NER der einzige Reparaturmechanismus, der fähig ist Läsionen zu reparieren, die durch UV Strahlung induziert werden. NER kann man in vier unterschiedliche Schritte aufteilen die zwischen Pro- und Eukaryoten konserviert sind. Schritt 1 besteht aus der initialen Schadenserkennung, während des zweiten Schrittes wird der mögliche Schaden verifiziert, im dritten Schritt wird der verifizierte Schaden ausgeschnitten und im vierten und letzten Schritt wird die resultierende Lücke in der DNA geschlossen. Es wurde gezeigt, dass XPD in die Schadensverifizierung involviert ist. Ein MAD Versuch, bei dem nur das endogene Eisen des Eisen-Schwefel-Clusters verwendet wurde ermöglichte die Strukturlösung der ersten apo XPD Struktur. Basierend auf der Struktur ergeben sich verschiedene Fragen: wo wird DNA gebunden? Wo wird DNA aufgetrennt? Wie wird Schadenserkennung ermöglicht? Was ist die Rolle des Eisen-Schwefel-Clusters? Diese Fragen werden in dieser Arbeit angesprochen. Strukturbasierte funktionelle Mutagenesestudien, die auf Hypothesen basiert sind, wurden angewendet und mit einer detailierten biochemischen Charakterizierung der Varianten kombiniert. Die Varianten wurden mittels thermischen Entfaltungsstudien analysiert, um die Möglichkeit auszuschliessen, dass die Stabilität durch die Punktmutation betroffen ist. DNA-Bindungs- Assays, ATPase Assays und Helikase Assays wurden durchgeführt um Aminosäurereste zu identifizieren, die für DNA Bindung, Helikase Aktivität und Schadenserkennung wichtig sind. Eine Struktur von XPD, die ein DNA Fragment mit vier Basen enthält, wurde mittels Molekularem Ersatz gelöst. Diese Struktur zeigt die Polarität des translozierenden DNA- Stranges im Verhältnis zu der Helikasestruktur auf. Desweiteren wurden die Eigenschaften des FeS Clusters mittels paramagnetischen Elektronenresonanz Studien untersucht, um Einblicke in die Rolle des FeS Clusters zu bekommen. Ausserdem wurde XPD aus Ferroplasma acidarmanus erforscht, da gezeigt wurde, dass es an CPD enthaltenden Läsionen hängen bleibt. Diese Daten stellen die ersten detailierten Einblicke in den Translokationsmechanismus einer SF2B Helikase dar und zeigen wie Polarität erzielt wird. Das ist eine Basis für weitere Analysen, um die kombinierte Aktion von Helikase und dem 4Fe4S Cluster zu verstehen, die zur Schadenserkennung in der NER Kaskade führt.

Universiẗat, Diss.--Jena, 2007.

Universiẗat, Diss., 2002--München. / Enth. 1 Sonderabdr. aus : Nature ; Vol. 419. 2002.

Universiẗat, Diss., 2001--Mainz.

Universiẗat, Diss., 2001--Jena.

From the simplest single-cellular organism to the most complex multicellular life forms, genetic information in form of DNA represents the universal basis for all biological processes and thus for life itself. Maintaining the structural and functional integrity of the genome is therefore of paramount importance for every single cell. DNA itself, as an active and complex macromolecular structure, is both substrate and product of many of these biochemical processes. A cornerstone of DNA maintenance is thus established by the tight regulation of the multitude of reactions in DNA metabolism, repressing adverse side reactions and ensuring the integrity of DNA in sequence and function. The family of RecQ helicases has emerged as a vital class of enzymes that facilitate genomic integrity by operating in a versatile spectrum of nucleic acid metabolism processes, such as DNA replication, repair, recombination, transcription and telomere stability. RecQ helicases are ubiquitously expressed and conserved in all kingdoms of life. Human cells express five different RecQ enzymes, RecQ1, BLM, WRN, RecQ4 and RecQ5, which all exhibit individual as well as overlapping functions in the maintenance of genomic integrity. Dysfunction of three human RecQ helicases, BLM, WRN and RecQ4, causes different heritable cancer susceptibility syndromes, supporting the theory that genomic instability is a molecular driving force for cancer development. However, based on their inherent DNA protective nature, RecQ helicases represent a double-edged sword in the maintenance of genomic integrity. While their activity in normal cells is essential to prevent cancerogenesis and cellular aging, cancer cells may exploit this DNA protective function by the overexpression of many RecQ helicases, aiding to overcome the disadvantageous results of unchecked DNA replication and simultaneously gaining resistance against chemotherapeutic drugs. Therefore, detailed knowledge how RecQ helicases warrant genomic integrity is required to understand their implication in cancerogenesis and aging, thus setting the stage to develop new strategies towards the treatment of cancer. The current study presents and discusses the first high-resolution X-ray structure of the human RecQ4 helicase. The structure encompasses the conserved RecQ4 helicase core, including a large fraction of its unique C- terminus. Our structural analysis of the RecQ4 model highlights distinctive differences and unexpected similarities to other, structurally conserved, RecQ helicases and permits to draw conclusions about the functional implications of the unique domains within the RecQ4 C-terminus. The biochemical characterization of various RecQ4 variants provides functional insights into the RecQ4 helicase mechanism, suggesting that RecQ4 might utilize an alternative DNA strand separation technique, compared to other human RecQ family members. Finally, the RecQ4 model permits for the first time the analysis of multiple documented RecQ4 patient mutations at the atomic level and thus provides the possibility for an advanced interpretation of particular structure-function relationships in RecQ4 pathogenesis. / Vom simpelsten einzelligen Organismus bis hin zu hoch komplexen Lebensformen, genetische Information in Form von DNA repräsentiert die universelle Grundlage aller biologischer Prozesse, und damit die des Lebens selbst. Die Aufrechterhaltung der intakten Struktur und Funktion des Genoms ist daher von höchster Priorität für jede einzelne Zelle. Die DNA selbst, als aktives und komplexes Makromolekül, ist sowohl Substrat als auch Produkt einer Vielzahl dieser biochemischen Prozesse. Ein wesentlicher Aspekt für die Aufrechterhaltung genomischer Integrität besteht daher in der gezielten Regulation aller Prozesse des DNA Metabolismus, um die Konservierung der DNA in Sequenz und Funktion zu gewährleisten und unerwünschte Nebenreaktionen zu verhindern. Die Familie der RecQ Helikasen hat sich als eine essentielle Gruppe von Enzymen etabliert, die diese genomische Integrität gewährleisten, indem sie eine Vielzahl von DNA basierten Prozessen kontrollieren. Dies umfasst die Replikation, Reparatur, Rekombination und Transkription von DNA, sowie Prozesse, die der Stabilisierung der Telomere dienen. RecQ Helikasen werden von allen Zellen exprimiert und können in allen Domänen des Lebens – Bakterien, Archaeen und Eukaryoten nachgewiesen werden. Humane Zellen enthalten fünf verschiedene RecQ Helikasen, RecQ1, BLM, WRN, RecQ4 und RecQ5, welche sowohl individuelle als auch überlappende Funktionen in der Aufrechterhaltung genomischer Integrität innehaben. Eine Beeinträchtigung der Funktion der humanen RecQ Helikasen BLM, WRN und RecQ4 führt zu Krankheiten die durch eine erhöhte Wahrscheinlichkeit für die Entstehung von Krebs gekennzeichnet sind. Dies unterstützt die Theorie, dass die genomische Instabilität eine molekulare Grundlage für die Entstehung von Krebs darstellt. Allerdings repräsentiert die den RecQ Helikasen innewohnende Funktion der Aufrechterhaltung genomischer Integrität ein zweischneidiges Schwert. Während ihre Aktivitäten auf der einen Seite für normale Zellen essentiell sind, um Krankheiten und zelluläre Alterungserscheinungen zu verhindern, wird ihre DNA protektive Funktion von Krebszellen genutzt, indem sie verschiedenste RecQ Helikasen überexprimieren und damit den nachteiligen Effekten der unkontrollierten DNA Replikation entgegenwirken. Zudem erlangen Tumorzellen durch die erhöhte Präsenz der RecQ Helikasen Resistenz gegenüber einer Vielzahl von Chemotherapeutika. Es ist daher von größter Bedeutung zu verstehen, wie genau die einzelnen RecQ Helikasen in der Entstehung von Krebs und dem Alterungsprozess involviert sind, um neue Ansätze in der Krebstherapie zu entwickeln. Die vorliegende Arbeit präsentiert und diskutiert die erste detaillierte Röntgen-Kristallographische Struktur der humanen RecQ4 Helikase. Die vorgestellte Struktur umfasst den konservierten Kern der RecQ4 Helikase, einschließlich eines großen Teils ihres einzigartigen C-terminus. Eine Analyse des RecQ4 Modells weist sowohl eindeutige Unterschiede als auch unerwartete Gemeinsamkeiten im Vergleich mit anderen, untereinander strukturell und funktional ähnlichen, humanen RecQ Helikasen auf und erlaubt zudem Rückschlüsse auf die Funktion der einzigartigen C-terminalen RecQ4 Domäne. Die biochemische Charakterisierung verschiedener RecQ4 Varianten liefert funktionelle Einblicke in den Mechanismus der DNA Doppelstrangtrennung durch RecQ4 und deutet darauf hin, dass sich dieser in weiten Teilen vom Mechanismus der anderen humanen RecQ Helikasen unterscheidet. Letztlich repräsentiert das hier vorgestellte Modell der RecQ4 Helikase die Grundlage für die Analyse verschiedenster dokumentierter RecQ4 Patientenmutationen und erlaubt damit eine erste Abschätzung von Struktur-und-Funktions-Beziehungen bezüglich der bekannten RecQ4- assoziierten Krankheitsbilder.

Gene expression and transfer of the genetic information to the next generation forms the basis of cellular life. These processes crucially rely on DNA, thus the preservation, transcription and translation of DNA is of fundamental importance for any living being. The general transcription factor TFIIH is a ten subunit protein complex, which consists of two subcomplexes: XPB, p62, p52, p44, p34, and p8 constitute the TFIIH core, CDK7, CyclinH, and MAT1 constitute the CAK. These two subcomplexes are connected via XPD. TFIIH is a crucial factor involved in both, DNA repair and transcription. The central role of TFIIH is underlined by three severe disorders linked to failure of TFIIH in these processes: xeroderma pigmentosum, Cockayne syndrome, and trichothiodystrophy. Only limited structural and functional data of TFIIH are available so far. Here, the model organism Chaetomium thermophilum was utilized with the aim to structurally and functionally characterize TFIIH. By combining the expression and purification of single TFIIH subunits with the co-expression and co-purification of dual complexes, a unique and powerful modular system of the TFIIH core subunits could be established, encompassing all proteins in high quality and fully functional. This system permits the step-wise assembly of TFIIH core, thereby making it possible to assess the influence of the intricate interaction network within TFIIH core on the overall enzymatic activities of TFIIH, which has not been possible so far. Utilizing the single subunits and dual complexes, a detailed interaction network of TFIIH core was established, revealing the crucial role of the p34 subunit as a central scaffold of TFIIH by linking the two proteins p44 and p52. Our studies also suggest that p62 constitutes the central interface of TFIIH to the environment rather than acting as a scaffold. TFIIH core complexes were assembled and investigated via electron microscopy. Preliminary data indicate that TFIIH adopts different conformational states, which are important to fulfill its functions in transcription and DNA repair. Additionally, a shortened construct of p62 was used to develop an easy-to-use, low cost strategy to overcome the crystallographic phase problem via cesium derivatization. / Die Expression von Genen und die Weitergabe des Erbguts an die nächste Generation bilden die Grundlage jeden Lebens. Bei diesen Vorgängen spielt die DNA eine entscheidende Rolle. Deshalb sind der Erhalt, die Transkription und die Translation der DNA von fundamentaler Bedeutung für alle Lebewesen. Der generelle Transkriptionsfaktor TFIIH ist ein Multi-Proteinkomplex und umfasst insgesamt zehn Untereinheiten. TFIIH kann in zwei Teilkomplexe unterteilt werden: XPB, p62, p52, p44, p34 und p8 bilden den TFIIH Core Komplex, CDK7, CyclinH und MAT1 bilden den CAK Komplex. Diese beiden Teilkomplexe werden durch XPD verbunden. TFIIH spielt eine entscheidende Rolle sowohl in der DNA Reparatur, als auch in der Transkription. Diese zentrale Rolle wird durch das Auftreten dreier schwerer Krankheiten deutlich, die mit dem Ausfall von TFIIH bei diesen Aufgaben in Verbindung stehen: Xeroderma pigmentosum, Cockayne-Syndrom und Trichothiodystrophie. Daten bezüglich der Struktur und Funktion von TFIIH stehen bisher nur in begrenztem Umfang zur Verfügung. In dieser Arbeit kam der Modellorganismus Chaetomium thermophilum zum Einsatz, mit dem Ziel die Struktur und Funktion von TFIIH näher zu beleuchten. Durch die Kombination der Expression und Aufreinigung einzelner TFIIH Untereinheiten mit der Koexpression und Koaufreinigung von dualen Komplexen konnte ein einmaliges und leistungsfähiges modulares System entwickelt werden, das die Darstellung aller Untereinheiten in hoher Qualität und voller Funktionalität erlaubt. Basierend auf diesen Ergebnissen wurde die schrittweise modulare Zusammensetzung von TFIIH Core ermöglicht, was es nun erlaubt den Einfluss der komplexen Wechselwirkungen innerhalb von TFIIH Core auf die enzymatischen Aktivitäten im Ganzen zu untersuchen, was bisher nicht möglich war. Mit Hilfe der Einzelproteine und dualen Komplexe wurde ein detailliertes Netzwerk aus Wechselwirkungen innerhalb TFIIH Core etabliert, welches die entscheidende Rolle der p34 Untereinheit als zentrales Gerüst für TFIIH offenbarte, da sie die Verbindung zwischen p44 und p52 herstellt. Unsere Untersuchungen deuten zudem darauf hin, dass p62 die zentrale Schnittstelle zur Umgebung von TFIIH darstellt, anstatt als Gerüst zu fungieren. Des Weiteren gelang die Assemblierung von TFIIH Core Komplexen, die mittels Elektronenmikroskopie untersucht wurden. Die Strukturen, die daraus hervorgingen, legen das Vorhandensein verschiedener TFIIH Konformationen nahe, welche vermutlich bei den verschiedenen Aufgaben von TFIIH in der Transkription und DNA Reparatur zum Tragen kommen. Außerdem wurde mit Hilfe eines gekürzten p62 Konstrukts eine einfach zu handhabende, kostengünstige Strategie zur Lösung des kristallografischen Phasenproblems mittels Cäsiumderivatisierung entwickelt.

Trotz erheblicher Fortschritte auf dem Gebiet der Strahlentherapie ist es bis heute noch nicht möglich, die Strahlenempfindlichkeit eines Individuums bereits vor Therapiebeginn vorherzusagen. Diese Tatsache führt dazu, dass es einerseits bei einem Teil der Patienten zu starken Nebenwirkungen infolge einer Bestrahlung kommt und andererseits die Therapie oftmals nicht in ausreichendem Maße anspricht. Die Entwicklung eines verlässlichen prädiktiven Tests stellt daher ein wichtiges Ziel der strahlentherapeutischen Forschung dar und stand auch im Zentrum dieser Arbeit. Methodisch kam dabei der Koloniebildungstest sowie die fluoreszenzmikroskopische Detektion und Bildanalyse des Histons gamma-H2AX, einem relativ neuen Marker für DNA-Doppelstrangbrüche, zum Einsatz. Untersucht wurde eine sehr heterogene Gruppe aus 5 Fibroblasten- sowie 5 Tumorzelllinien. Unter den Fibroblastenzelllinien befanden sich 2 normale Hautfibroblasten, 2 Hautfibroblasten von Brustkrebspatientinnen mit überdurchschnittlich starken Hautreaktionen nach der Bestrahlung sowie eine Zelllinie mit bekannter AT-Mutation. An Tumorzelllinien kam ein Adenokarzinom der Brust, ein Malignes Melanom, ein Fibrosarkom und zwei isogene aber unterschiedlich strahlensensible Glioblastomzelllinien, die sich in Hinblick auf ihre Proteinkinasenaktivitäten unterscheiden, zum Einsatz. Durch den Koloniebildungstest konnte eine große Bandbreite der klonogenen Überlebensraten erkannt werden, wobei Zelllinien mit Proteinkinasedefekten die größte Empfindlichkeit gegenüber ionisierender Strahlung aufwiesen. Der Verlauf des Histons gamma-H2AX in Hinblick auf die Induktion, die Abbaukinetiken, die verbliebenen Reste nach 18 Stunden Reparaturdauer sowie die dosisabhängigen Kurvensteigungen zeigten jeweils einen charakteristischen Verlauf für jede untersuchte Zelllinie. Interessanterweise war die Hintergrundfluoreszenz bei Tumorzelllinien signifikant höher als diejenige bei Fibroblastenzelllinien. Die strahlensensible Glioblastomzelllinie mit Proteinkinasedefekten zeigte eine deutlich protrahierte Phosphorylierung des Histons H2AX. Zwischen den Überlebensraten der Koloniebildungstests und den Ergebnissen der gamma-H2AX-Detektion wurden keine Korrelationen gefunden. Wie in dieser Arbeit gezeigt werden konnte, stellt der Verlauf des Histons gamma-H2AX einen stark zelllinienabhängigen Parameter dar. Das Histon gamma-H2AX besitzt dadurch ein hohes Potential um individuelle Mechanismen einer Zelllinie nach Einwirkung äußerer Noxen, wie beispielsweise ionisierende Strahlung, zu untersuchen. Es bietet interessante Ansatzpunkte zur Beurteilung neuer Therapieregimes als auch zur Entwicklung und Bewertung strahlenmodulierender Chemotherapeutika. / Despite of the efforts of modern radiotherapy, about 5-10% of tumor patients develop severe side effects of normal tissue after radiotherapy treatment. Therefore, there is a growing interest to establish a reliable method to predict a normal tissue’s radiosensitivity. On the other hand, some tumors did not respond adequately to the standard irradiation protocols. The development of a predictive test for radiotherapy is therefore one of the important goals of radiation research. The present study used two different methods to evaluate cellular reactions after irradiation – the colony forming test and digital image analysis of histone gamma-H2AX, a marker of DNA double strand breaks. Ten different cell lines derived from normal and malignant tissues were examined. Among them were 2 normal skin fibroblast lines, 2 fibroblast cell lines derived from the skin biopsies of tumor patients with adverse early skin-reactions to radiotherapy, and one fibroblast cell line with a known mutation of the AT gene. The five examined tumor cell lines included a fibrosarcoma (HT 1080), a breast carcinoma (MCF7), a melanoma (Colo-800) and two isogenic glioblastoma (MO59J and MO59K) cell lines. The results of the colony forming test for the 10 cell lines studied showed a wide range of the SF2-values (surviving fraction at 2 Gray). Cell lines with defects in the protein kinases, MO59J and AT, showed the lowest surviving fractions, 0.06 and 0.17, respectively. Interestingly, the background level of gamma-H2AX was significantly higher in malignant cell lines compared with non-malignant ones. We found that the glioblastoma cell line MO59J which is deficient in the protein kinases DNA-PK and ATM showed a delayed phosphorylation of H2AX. Comparison between the parameters of the colony-forming test and of histone gamma-H2AX revealed no correlation between the SF2-values and the induction and disappearance of histone gamma-H2AX for the cell sample tested. However, the induction, the kinetics of disappearance, residual and background parameters of histone gamma-H2AX showed a strong cell line specific behaviour. Our results suggest that histone gamma-H2AX seems to be a very useful cell-type-specific marker for DNA double-strand breaks which could be used as a patient specific molecular marker to assess the effect of radiosensitizers or different radiotherapy schedules in order to optimize the tumor treatment.

Mutationen im humanen DNA Mismatch-Reparatur (MMR) Gens Mlh1 sind mit dem erblichen, nicht-polypösen Kolonkarzinom (Lynch Syndrom, HNPCC) und einem signifikanten Anteil sporadischer kolorektaler Tumore assoziiert. Zudem konnten MMR Defekte in sporadischen und erblichen Lymphom Erkrankungen beschrieben werden. In Zellen resultiert die Inaktivierung des Mlh1 Gens in der Akkumulation von somatischen Mutationen im Genom und einer erhöhten Resistenz gegenüber den genotoxischen Effekten einer Vielzahl von DNA schädigenden Agenzien. Mäuse, die ein Null Allel für das MMR Gen Mlh1 tragen zeigen einen starken Tumorprädispositions Phänotyp. Sie entwickeln vorrangig B- und T-Zell Lymphome und mit geringerer Haufigkeit gastrointestinale Tumore. Zusätzlich sind Mlh1-/- Mäuse durch einen meiotischen Phänotyp charakterisiert, der zu Sterilitäten in beiden Geschlechtern führt. Um die Effekte von Mlh1 missense Mutationen auf die Tumoranfälligkeit zu untersuchen, erzeugten wir eine Mauslinie, die die häufig in HNPCC Patienten beschriebene MLH1G67R Mutation tragen, die in einer der ATP Bindungs-Domänen von MLH1 lokalisiert ist. Auch wenn die MLH1G67R Mutation in homozygot mutanten Mäusen in einer DNA Reparatur Defizienz resultierte hatte sie keinen Effekt auf die MMR vermittelte zelluläre Antwort auf DNA Schäden. Hierzu gehörte die apoptotische Antwort von Epithelzellen der intestinalen Mucosa auf Cisplatin, die in Mlh1-/- Mäusen defektiv jedoch in Mlh1G67R/G67R Mäusen normal ausfiel. Mlh1G67R/G67R mutante Mäuse zeigten wie Mlh1-/- Tiere einen starken Tumorprädispositions Phänotyp. Sie entwickelten jedoch im Vergleich zu Mlh1-/- Tieren signifikant weniger gastrointestinale Tumore, was darauf hinweist, dass Mlh1 missense Mutationen die Tumor supprimierende MMR Funktion in einer Gewebs-spezifischen Weise beeinflussen können. Darüber hinaus sind Mlh1G67R/G67R Mäuse, aufgrund der fehlenden Bindungsfähigkeit des MLH1G67R Proteins an die meiotischen Chromosomen im Pachytän Stadium, steril. Dies zeigt, dass die ATPase Aktivität von MLH1 für die Fertilität in Säugern essentiell ist. Diese Untersuchungen belegen, dass die Mlh1G67R Mutation die biologischen MLH1 Funktionen differentiell mit einem eindeutigen Phänotyp beeinflusst. Um die Rolle von MLH1 für die Lymphomagenese detaillierter untersuchen zu können, generierten wir ein neues Mausmodell mit einem konditionellen Mlh1 Allel (Mlh1flox/flox). Das Einkreuzen von transgenen EIIa-Cre Mausen in die Mlh1flox/flox Mauslinie führte zur konstitutiven Inaktivierung von MLH1. Die resultierende Mlh1Δex4/Δex4 Mauslinie zeichnete sich durch MMR Defizienz und einen zu Mlh1-/- Tieren vergleichbaren Tumorprädispositions Phänotyp aus. Zur T-Zell spezifischen MMR Inaktivierung kombinierten wir das Mlh1flox/flox Allel mit dem Lck-Cre Transgen. In den resultierenden Mlh1TΔex4/TΔex4 Mäusen ist die MLH1 Inaktivierung auf doppelt positive und einzel positive Thymozyten und naïve periphere TZellen beschränkt. Die Entwicklung von T-Zell Lymphomen in Mlh1TΔex4/TΔex4 Mäusen ist im Vergleich zu Mlh1-/- Mäusen signifikant reduziert, was eine wichtige, Lymphom supprimierende MMR Funktion in frühen Stadien der T-Zell Entwicklung oder in lymphoiden Vorläuferzellen impliziert. / Mutations in the human DNA mismatch repair (MMR) gene Mlh1 are associated with hereditary nonpolyposis colorectal cancer (Lynch syndrome, HNPCC) and a significant proportion of sporadic colorectal cancer. Furthermore, MMR defects have also been observed in sporadic and hereditary lymphoid malignancies. In cells the inactivation of MLH1 results in the accumulation of somatic mutations in the genome and an increased resistance to the genotoxic effects of a variety of DNA damaging agents. Mice carrying a null allele for the MMR gene Mlh1 show a strong tumor predisposition phenotype. They are preferentially prone to the development of lymphomas of B- and T-cell origin and to a lesser extent gastrointestinal tumors. Additionally Mlh1-/- mice are characterized by a meiotic phenotype leading to male and female sterility. To study the effect of Mlh1 missense mutations on cancer susceptibility, we generated a mouse line carrying the recurrent MLH1G67R mutation that is located in one of the ATP-binding domains of MLH1. Although the MLH1G67R mutation resulted in DNA repair deficiency in homozygous mutant mice, it did not affect the MMR-mediated cellular response to DNA damage, including the apoptotic response of epithelial cells in the intestinal mucosa to cisplatin, which was defective in Mlh1-/- mice but remained normal in Mlh1G67R/G67R mice. Similar to Mlh1-/- mice, Mlh1G67R/G67R mutant mice displayed a strong cancer predisposition phenotype. However, in contrast to Mlh1-/- mice, Mlh1G67R/G67R mutant mice developed significantly fewer intestinal tumors, indicating that Mlh1 missense mutations can affect MMR tumor suppressor functions in a tissue-specific manner. In addition, Mlh1G67R/G67R mice were sterile because of the inability of the mutant Mlh1G67R protein to interact with meiotic chromosomes at pachynema, demonstrating that the ATPase activity of MLH1 is essential for fertility in mammals. These studies demonstrate that the Mlh1G67R mutation differentially affects the biological functions associated with MLH1 with distinct phenotypic effects. To study the role of MLH1 for lymphomagenesis in more detail, we generated a new mouse model carrying a conditional Mlh1 allele (Mlh1flox/flox). Mating of these mice with EIIa-Cre recombinase transgenic mice allowed the constitutive inactivation of MLH1 and the resulting Mlh1Δex4/Δex4 mouse line displays complete MMR deficiency and a cancer predisposition phenotype similar to Mlh1-/- mice. For T-cell specific MMR inactivation we combined the Mlh1flox/flox allele with the Lck-Cre Transgene. In the resulting Mlh1TΔex4/TΔex4 mice, MLH1 inactivation is limited to double positive and single positive thymocytes and naïve peripheral Tcells. The development of T-cell lymphomas in Mlh1TΔex4/TΔex4 mice is significantly reduced compared to Mlh1-/- mice implicating that MMR functions either at very early stages during Tcell development or even earlier in lymphoid precursor cells to suppress lymphomagenesis.

Fanconi Anämie (FA) ist eine autosomal rezessive, im Falle der Untergruppe FA-B X-chromosomale Erbkrankheit, die mit chromosomaler und genomischer Instabilität verbunden ist und sich durch große phänotypische und genetische Heterogenität auszeichnet. Symptomatisch sind Knochenmarksversagen, eine Vielfalt angeborener Fehlbildungen, die weit überdurchschnittliche Disposition für akute myeloische Leukämie (AML), Plattenepithelkarzinome (SCC) sowie eine zelluläre Hypersensitivität gegenüber DNA Doppelstrangvernetzenden Substanzen. FA wird kompliziert durch ein progressives Knochenmarksversagen. Die FA Proteine sind essentiell für die interstrand crosslink (ICL) repair sowie an anderen DNA Reparatursystemen, beteiligt. Bisher wurden hauptsächlich Regulationsmechanismen untersucht, die die FA Proteine betreffen. Die Regulation der Transkripte war bisher nahezu unbekannt. In der vorliegenden Arbeit wurde die transkriptionelle Regulation der sogenannten FA core complex Gene untersucht. Dabei handelt es sich um acht Gene, deren Produkte im Falle eines DNA Schadens den ersten Proteinkomplex des FA/BRCA Signalweges bilden. Für diese acht Gene wurden in dieser Arbeit die Promotoren identifiziert und ihr Aktivierungspotential charakterisiert. Dabei stellte sich heraus, dass diese ein starkes Potential für die Transkriptionsinitiierung besitzen. Des Weiteren zeigten sich Gemeinsamkeiten in Form von Sequenzmotiven sowie Transkriptionsfaktorbindestellen, die in allen core complex Genen nahezu identisch waren. Durch diese Analysen ergaben sich Hinweise, dass die untersuchten Gene durch Mitglieder des JAK/ STAT (STAT1/4) sowie des TGF-b Signalwegs (SMAD1/4) reguliert werden. Funktionelle Untersuchungen mittels siRNA sowie Fibroblastenzelllinen, die biallelische FANCA Mutationen trugen, bestätigten diese Verbindungen. So hatte der knockdown der entsprechenden Transkriptionsfaktoren einen reduzierenden Einfluss auf die Transkriptmenge der core complex Gene. FANCA-mutierte Zelllinen weisen reduzierte mRNAs von STAT und SMAD auf. Darüber hinaus fanden sich signifikante Änderungen der Transkriptmenge in 112 verschiedenen Mitgliedern dieser Signalwege in den FA-A Zellinien. Eines dieser Mitglieder, IRF1, zeigte fast identische Ergebnisse wie sie bei STAT1/4 sowie SMAD1/4 beobachtet werden konnten. Die vorliegende Arbeit trägt dazu bei, die transkriptionelle Regulation der core complex Gene besser zu verstehen. Die auffälligen Gemeinsamkeiten ihrer Regulation liefern neue Argumente für eine Koevolution dieser Gene. / Fanconi anemia (FA) is an autosomal recessive, in the case of subgroup B X-linked, disease that is characterized by chromosomal and genomic instability. FA reveals remarkable phenotypic and genetic heterogeneity. Clinical symptoms include the variable presence of typical congenital malformations, progressive bone marrow failure, and a pronounced predisposition for the occurrence of malignancies such as acute myelogenous leukemia (AML) and squamous cell carcinoma (SCC). The FA proteins are essential for the repair of DNA-interstrand crosslinks and are members of the DNA damage response network. This is why FA cells are hypersensitive to agents inducing doublestrand lesions. In the past, a major topic of research was the interaction of the FA proteins. In this thesis work, transcriptional regulation of the FA core complex genes was investigated. These genes include eight members that form, in response to DNA damage, the first protein complex acting in the FA/BRCA pathway. As part of this thesis, the promoters of the FA core complex genes were identified, and their potential for transcriptional activation was studied. All of them revealed strong power for transcriptional activation. There were marked similarities among them including the presence of two shared sequence motifs, of transcription factor binding sites and in the presence of repressor elements defining them as bipartite in their nature. These analyses provided clues that these genes are regulated, in part, by components of theJAK/ STAT (STAT1/4) and the TGF-ß signaling pathways. Functional studies including knockdown experiments or using fibroblast lines with biallelic mutations in FANCA confirmed these connections. Down-regulation of the designated transcription factors decreased the transcript levels of the FA core complex genes. Likewise, FANCA-mutant cell lines showed reduced amounts of mRNA of STAT and SMAD. Moreover, there were significant changes in the expression of 112 members of the corresponding signaling pathways in FA-A cell lines. The present work contributes to a better overall understanding of the transcriptional regulation of the FA core complex genes. Shared similarities provide arguments in favor of a co-evolution of these genes.