Das Wissen über die zellularen und molekularen Mechanismen, die Stammzellen befähigen das hämatopoetische System aufrecht zuerhalten, ist weitgehend unvollständig. Es existieren verschiedene Theorien darüber, in wie weit zell- oder systemspezifische Einflüsse die Selbsterneuerung und die Differenzierungprozesse der hämatopoetischen Stammzellen steuern. Eine experimentelle Möglichkeit zur Überprüfung der Hypothesen sind Repopulationsexperimente mit verschieden Zellpopulationen. Die Zellkulturen bestanden aus Nachkommen einer einzigen Stammzelle oder aus verschiedenen Stammzellen. Es liegen Resultate vor, die zeigen, dass Transplantationen mit kleinen Zellzahlen eine starke Heterogenität erzeugen. Repopulationen mit grossen Transplantaten zeigen eine kleine Variabilität in den Zellanteilen. Es konnten langfristige Trends in den Zellkinetiken festgestellt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden durch biologische Annahmen über die Zelleigenschaften und die Umsetzung des experimentellen Ablaufes verschiedene Modellszenarien entwickelt und simuliert. Modellannahmen und Parameterwahl basieren hierbei auf den experimentellen Beobachtungen. Es wird untersucht, welche zell- bzw. systemspezifischen Einflussfaktoren notwendig sind, um die gewünschte Variabilität im Repopulationsverhalten zu erzeugen.

PIWI Proteine sind die zentralen Darsteller eines RNA-basierten Mechanismus, der die Mobilisierung transponierbarer Elemente im Genom unterdrückt, um genetische Stabilität zu gewährleisten. Demzufolge sind PIWI-Proteine für die langfristige Erhaltung verschiedener Stamzellpopulationen notwendig. Beispiele dafür sind verschiedene adulte somatische Stammzellen in Drosophila und die Stammzellen der Keimbahn aller bisher untersuchten Tierarten. Bei Säugetieren sind die beschriebenen Funktionen von PIWI Proteinen strikt auf die männliche Keimbahn beschränkt. Trotz Andeutungen auf eine Rolle von PIWI-Proteinen in somatischen Zellen von Säugetieren, wurde eine Funktion bisher nicht beschrieben. Ähnlich wie Stammzellen, können sich Makrophagen in verschiedenen Geweben selbst-erneuern, um ihre Populationen zu erhalten. Diese Selbsterneuerung beruht auf der geringen Expression der Transkriptionsfaktoren MafB und cMaf, was die Aktivierung eines stammzell-ähnliches Gen-Netzwerk, das die Proliferation vorantreibt. Makrophagen mit einer genetischen Deletion von MafB und cMaf (MafDKO-Makrophagen) oder Makrophagen mit natürlich niedriger Expression von MafB oder cMaf, wie z.B. alveoläre Makrophagen, weisen dementsprechend eine erweiterte Kapazität zur Selbsterneuerung auf. Wie haben festgestellt, dass eine kurze Isoform des Maus- Gens Piwil2, die wir ‚Piwito’ genannt haben, in MafDKO und alveolären Makrophagen exprimiert wird. Die Expression von Piwito ist für die normale Selbsterneuerung der untersuchten Makrophagen notwendig, wie die in vitro und in vivo Untersuchungen darlegen. Eine Abwesenheit von Piwito in alveolären Makrophagen führt zu einer Verkürzung derer Lebenspanne in Kultur. Außerdem beweisen wir, dass Piwito von MafB in nicht-proliferierenden Makrophagen gebunden und unterdrückt wird. Diese Studie ist somit der erste Bericht über eine somatische Funktion von PIWI-Proteinen in nicht transformierten Zellen von Säugetieren. / PIWI proteins are the main players of an RNA-based gene regulatory machinery that represses transposable elements in the genome to prevent their mobilization and ensure genetic stability. PIWI proteins have thus highly conserved stem-cell functions. They are indispensable for the long-term maintenance of the somatic stem cells that drive regeneration in invertebrates, of various adult somatic stem cells in Drosophila and, most prominently, of the germline of all species studied so far. In mammals, their described functions are strictly restricted to the male germline. Despite suggestive observations for a role of PIWI proteins in the mammalian soma, robust evidence remains absent. Similar to stem cells, tissue macrophages can locally self-renew to maintain their populations. Mechanistically, their self-renewal relies on low expression of the macrophage transcription factors MafB and cMaf, since it allows the induction of a stem cell-like network of genes that drives proliferation. Macrophages with a genetic deletion of MafB and cMaf (MafDKO macrophages) acquire therefore the capacity to self-renew, defined by an indefinite growth in culture that does not comprise their identity and does not involve cancerogenic transformation. Similarly, macrophages with naturally low levels of MafB or cMaf, such as alveolar macrophages, display an extended self-renewal capacity in vivo and in vitro. We have found that a short isoform of the murine Piwil2 gene, that we named ‘Piwito’, is expressed in MafDKO and alveolar macrophages. Piwito expression is necessary for the unaltered self-renewal of macrophages, as shown by in vitro and in vivo assays. To highlight is the fact that Piwito deficiency limits the extended lifespan of alveolar macrophages in culture. Additionally, we show that Piwito is bound and repressed by MafB in quiescent macrophages. This study thus represents the first report of a somatic function for mammalian PIWI proteins in non-transformed cells.

DNA Methylierung ist ein zentraler epigenetischer Prozess, welcher entscheidend an der Organisation von Genregulation beteiligt ist. Dieser Vorgang ist wichtig für die Funktion sowohl von embryonalen als auch von Gewebs-Stammzellen. Krebszellen weisen häufig veränderte DNA Methylierungsmuster auf, was auf eine ähnlich wesentliche Rolle der DNA Methylierung in Krebsstammzellen (KSZ) hindeutet. Diese These wurde hier mit Hilfe eines Mausmodells mit verringerter Expression der DNA Methyltransferase Dnmt1 anhand verschiedener Leukämiemodelle untersucht. In einem bi-linearen B-lymphatischen/myeloischen Leukämiemodell konnte gezeigt werden, dass hypomethylierte leukämieinitiierende (Stamm-)zellen (LSZ) myeloische Krebszellen hervorbringen, allerdings nicht zur Bildung von B-lymphatischen Leukämiezellen befähigt sind. Darüber hinaus konnte in einem T-Zell-spezifischen Leukämiemodell gezeigt werden, dass reduzierte Dnmt1 Expression nicht mit der Bildung von T-Zelllymphomen vereinbar ist. Detaillierte Analysen eines myeloischen Leukämiemodells ergaben, dass hypomethylierte LSZs ein vermindertes Selbsterneuerungspotenzial aufweisen. Im Gegensatz zu den starken Funktionseinschränkungen hypomethylierter LSZs, hatten hypomethylierte Knochenmarks-Stromazellen keinen Effekt auf die Entwicklung von Leukämien. Außerdem führte die Behandlung leukämischer Zellen mit demethylierenden Agenzien zu einer teilweisen Aufhebung methylierungsvermittelter Genrepression. Die dadurch verstärkte Expression von Differenzierungsfaktoren verminderte das Leukämiewachstum, was einen möglichen Erklärungsansatz für das eingeschränkte Potenzial hypomethylierter Leukämien darstellt. Diese Ergebnisse demonstrieren eine zentrale Rolle der DNA Methylierung für die Selbsterneuerung und Linienwahl von LSZs, und erlauben somit neue Einblicke in die epigenetische Regulation von KSZs. Diese Erkenntnisse implizieren, dass KSZs möglicherweise ein geeignetes Ziel für epigenetische Therapieansätze darstellen. / DNA methylation is one of the major epigenetic processes which is crucially involved in orchestrating gene regulation primarily by repression of gene expression. DNA methylation plays an important role in controlling functional programs of embryonic and tissue stem cells. As altered DNA methylation patterns are a hallmark of cancer, we hypothesized that DNA methylation might be equally important for cell fate determinations of cancer stem/initiating cells (CSC). To test this, I analyzed a genetic knockdown mouse model of the main somatic DNA methyltransferase Dnmt1 in the context of three different leukemia models. In a bilinear B-lymphoid/myeloid leukemia model hypomethylated bi-potential leukemia stem/initiating cells (LSCs) were shown to be capable of forming a myeloid leukemia, whereas the generation of B-lymphoid blasts was almost entirely abrogated. Moreover, failure of hypomethylated cells to develop T-cell lymphomas in a Notch1-based leukemia model demonstrated their profound lack of T-lineage commitment capacities. Furthermore, detailed analyses of a myeloid leukemia model revealed a severely impaired self-renewal potential in LSCs with reduced Dnmt1 expression. However, contrasting the drastic cell-intrinsic impairments of LSC function by reduced DNA methylation, leukemia development was found to be unaffected by hypomethylated bone marrow stroma. Mechanistically, treatment of cell lines with a demethylating drug led to enhanced expression of differentiation factors due to loss of methylation mediated gene silencing. This was followed by inhibition of leukemia cell growth, thus providing a potential mechanism for impaired functions of hypomethylated leukemias. Collectively, this thesis revealed a critical role for DNA methylation levels in malignant self-renewal and lineage fate choices. These new insights into epigenetic regulation of CSCs suggest that epigenetic therapy displays a potential treatment concept specifically targeting CSCs.

Organoide aus adulten Mäusen sind vielversprechende Modelle für die Nierenforschung. Ihre Charakterisierung wurde jedoch nicht auf ein zufriedenstellendes Niveau gebracht. Hier habe ich ein langfristiges 3D-Maus-Organoid (Tubuloid)-Modell etabliert und charakterisiert, das die Erneuerung und die Reparatur sowie die Architektur und die Funktionalität der adulten tubulären Epithelien rekapituliert. In der Zukunft wird das Modell detaillierte Untersuchungen der Trajektorien selbsterneuernder Zellen sowohl zur teilweisen Wiederherstellung der Niere als auch zur malignen Transformation der Niere ermöglichen. Das klarzellige Nierenzellkarzinom (ccRCC) ist der häufigste und aggressivste Nierenkrebs. Die Inaktivierung des Tumorsuppressorgens Von Hippel-Lindau (VHL) ist der Haupttreiber des ccRCCs. Zuvor hatten wir die Hochregulation der Wnt- und Notch-Signalübertragung in den CXCR4+MET+CD44+-Krebsstammzellen (CSC) aus primären humanen ccRCC-Tumoren identifiziert. Das Blockieren von Wnt und Notch in von Patienten stammenden Xenotransplantaten, Organoiden und nicht-anhaftenden Sphären unter Verwendung von niedermolekularen Inhibitoren beeinträchtigte die Selbsterneuerung der CSC und das Tumorwachstum. Um CSC-gesteuertes humanes ccRCC in genetischen Mausmodellen nachzuahmen, begann ich mit der Erzeugung von zwei Doppelmausmutanten; β-Catenin-GOF; Notch-GOF und Vhl-LOF; β-Catenin-GOF. Sowohl die β-Catenin-GOF; Notch-GOF Mausmutante als auch die Vhl-LOF; β-Catenin-GOF Mausmutante entwickelten innerhalb einiger Monate schwere Krankheitssymptome. Überraschenderweise beobachtete ich weder Tumore oder Tumorvorläuferläsionen noch höhere Zellproliferationsraten in den mutierten Nieren. Weitere Analysen ergaben, dass die Mausmutanten Merkmale chronischer Nierenerkrankung (CKD) aufwiesen. / Adult mouse organoids are promising models for kidney research. However, their characterization has not been pushed forward to a satisfying level. Here, I have generated and characterized a long-term 3D mouse organoid (tubuloid) model, which recapitulates renewal and repair, and the architecture and functionality of the adult tubular epithelia. In the future, the model will allow detailed investigations of trajectories of self-renewing cells towards both the partial recreation and malignant transformation of the kidney. Clear cell renal cell carcinoma (ccRCC) is the most common and aggressive kidney cancer. Inactivation of the Von Hippel-Lindau (VHL) tumor suppressor gene is the major driver of ccRCC. Earlier, we identified the upregulation of Wnt and Notch signaling in CXCR4+MET+CD44+ cancer stem cells (CSCs) from primary human ccRCCs. Blocking Wnt and Notch in patient-derived xenografts, organoids and non-adherent spheres using small-molecule inhibitors impaired self-renewal of CSCs and tumor growth. To mimic CSC-governed human ccRCC in genetic mouse models, I started from the generation of two double mouse mutants; β-catenin-GOF; Notch-GOF and Vhl-LOF; β-catenin-GOF. Surprizingly, I observed neither tumors or tumor precursor lesions nor higher cell proliferation rates in the mutant kidneys. Further analyses revealed that the mutant mice displayed features of chronic kidney disease (CKD). Thus, β-catenin-GOF; Notch-GOF and Vhl-LOF; β-catenin-GOF mouse mutants did not develop kidney tumors under the given experimental conditions.