Zelluläre Seneszenz wird als terminaler Zellzyklusarrest definiert, der mit dem Altern und funktionellen Verlust von Geweben verknüpft ist. Eine Seneszenzreaktion wird ebenso durch Onkogene und zytotoxischen Stress verursacht. Die Ausführung des Seneszenzprogramms wird durch eine zeitlich hochdynamische Aktivität von Transkriptionsfaktoren (TF) bedingt. Interessanterweise kann die Zelllinienzugehörigkeit einer Zelle durch die Expression von linien-aberranten TF überschrieben werden. Die vorliegende Arbeit untersucht Chemotherapie-induzierte Seneszenz (TIS) in Bcl-2 überexprimierenden, deshalb vor Apoptose geschützten, murinen Eµ-Myc B-Zell Lymphomen in An- oder Abwesenheit der Seneszenz-essentiellen Histonmethyltransferase Suv39h1. Analysen auf Transkriptom- und auf Proteinebene ergeben dabei, dass in einer Seneszenz-spezifischen Weise die TF AP-1, PU.1 und C/EBPβ induziert werden, welche normalerweise für die Funktion und Entwicklung myeloischer Zelllinien bedeutend sind. Dementsprechend korreliert der Seneszenzzustand mit Transkripten, Oberflächenmarkern und einer enzymatischen Funktion der myeloischen Linie. Indem die identifizierten TFs heruntergeschaltet oder überexprimiert werden, wird ihre direkte Beteiligung an der Linienuntreue der TIS Lymphome demonstriert. TIS-Kapazität wird als für den Erfolg von Krebstherapie günstige Eigenschaft betrachtet, da sie zu einem Wachstumsblock führt. Nichtsdestotrotz können sich verweilende TIS Zellen krebsbiologisch auch nachteilig auswirken. Anhand von murinen und humanen, klinisch annotieren Transkriptomdatensätzen kann hier in beiden Spezies ein myeloisch verschobenes, Linienuntreue anzeigendes Genexpressionsprofil mit einer besseren Überlebensprognose korreliert werden. Die vorliegenden Befunde legen nahe, dass die Modulation von TF Aktivitäten in Seneszenz einen potentiellen therapeutischen Angriffspunkt darstellt, um den für den Therapieerfolg nützlichen Zweig des TIS Phänotyps zu befördern. / Cellular senescence is regarded as an irreversible cell cycle arrest associated with tissue aging and its functional decline. A senescence response is also evoked by oncogenic and cytotoxic stress. The execution of the senescence program relies on a highly dynamic sequence of transcription factor (TF) activities. Interestingly, cell lineage commitment can be overridden by the expression of lineage-aberrant TFs. This thesis examines chemotherapy-induced senescence (TIS) in Bcl-2 overexpressing, thus apoptosis-protected, murine Eμ-Myc B-cell lymphomas with or without the senescence-essential histone methyltransferase Suv39h1. Transcriptome as well as protein level analyses reveal senescence-specific induction of the TFs AP-1, PU.1 and C/EBPβ which are typically crucial for myeloid lineage commitment and function. Correspondingly, the senescent state associates with myeloid lineage transcripts, surface markers and enzymatic function, reminiscent of, but not equal to a transdifferentiation phenotype. By knocking down and overexpressing the identified TFs, we demonstrate their direct involvement in the lineage infidelity of TIS lymphomas. TIS-capacity is viewed as beneficial to cancer therapy outcome due to its block on proliferation. However, lingering TIS cells can also be detrimental due to the acquisition of latent stemness properties or tumor-protective remodeling of their microenvironment. By interrogating murine and human, clinical course-annotated transcriptome data sets, an association between a myeloid-skewed, lineage infidelity indicating gene expression profile and better tumor prognosis is established in both species. The presented findings suggest that modulation of the senescent TF activities could be therapeutically exploited to foster the cancer patient-beneficial branch of the TIS phenotype.

Der CCAAT enhancer binding protein beta (C/EBPβ) Transkriptionsfaktor reguliert die Differenzierung, Proliferation und Funktion vieler Zelltypen, einschließlich verschiedener Zellen des Immunsystems. Eine detaillierte molekulare Analyse des Mechanismus, wie C/EBPβ alternative Zellschicksale steuert, wurde jedoch bisher noch nicht unternommen. Es wurde gezeigt, dass die ektopische Expression von C/EBPβ in determinierten B- Vorläuferzellen diese zu inflammatorischen Makrophagen reprogrammieren kann. Wir haben dieses Reprogrammierungsystem verwendet, um die Strukturelemente in C/EBPβ, die für die Regulation der (Trans)Differenzierung durch C/EBPβ wichtig sind, zu untersuchen. Um die maßgeblichen C/EBPβ Proteinmodule für die Reprogrammierung zu bestimmen, wurden entweder C/EBPβ Wildtyp Isoformen oder Mutanten in primären murinen B-Vorläuferzellen ektopisch exprimiert. Die Analysen ergaben, dass die translational regulierten langen Isoformen LAP* and LAP, jedoch nicht die kurze Isoform LIP lymphoide Zellen zu myeloischen Zellen reprogrammieren können. Des weiteren haben wir gezeigt, dass die konservierten Regionen 2, 3 und 4 der C/EBPβ Transaktivierungsdomäne essentiell und ausreichend für die Konvertierung von B Zellen zu myeloischen Zellen sind. Die reprogrammierten myeloischen Zellen setzten sich aus einer heterogenen Population verschiedener myeloischer Zelltypen zusammen. Detaillierte Analysen von CD11b+ reprogrammierten Zellen zeigten, dass diskrete konservierte Regionen von C/EBPβ verschiedene pro- und anti-inflammatorische Gene und divergente Entwicklungsprogramme aktivierten. Des Weiteren führten nicht nur strukturelle C/EBPβ Mutanten sondern auch Puktmutationen an Stellen, die posttranslationalen Modifikationen (PTM) unterliegen, zu verschiedenen Reprogrammierungsergebnissen. Diese Daten zeigen, dass die C/EBPβ abhängige myeloische Diversifikation durch die Integration von strukturellen C/EBPβ Proteinmodulen und deren signalabhängigen PTMs erreicht wird. / The CCAAT enhancer binding protein beta (C/EBPβ) transcription factor regulates differentiation, proliferation, and functionality of many cell types, including various cells of the immune system. A detailed molecular understanding of how C/EBPβ directs alternative cell fates remains largely elusive. Ectopic expression of C/EBPβ has been previously shown to reprogram committed B cell progenitors into inflammatory macrophages. We took advantage of this reprogramming system in order to examine how C/EBPβ regulates (trans)differentiation. To determine which C/EBPβ protein modules are important for reprogramming, C/EBPβ wild type isoforms and mutants were ectopically expressed in primary mouse B cell progenitors. The data showed that the translationally regulated long isoforms LAP* and LAP, but not the N-terminally truncated isoform LIP can reprogram lymphoid cells into myeloid cells. Furthermore, we found that conserved regions 2,3 and 4 in the C/EBPβ protein transactivation domain are necessary and sufficient for B-to-myeloid cell conversion. Interestingly, the reprogrammed myeloid cells were found to represent a heterogeneous mixture of different myeloid cell types. Detailed analyses of the reprogrammed CD11b+ cells revealed that discrete conserved regions in C/EBPβ activated distinct pro- and anti-inflammatory genes and triggered divergent differentiation programs. Moreover, not only structural C/EBPβ mutants, but also post-translational modification (PTM) site mutations led to different reprogramming outcomes. These data suggest that C/EBPβ orchestrates myeloid diversification by integrating PTMs with structural plasticity as signal dependent adaptable modular properties to determine cell fate.

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Mein Ziel war es, genetische Faktoren in C. elegans zu identifizieren, die eine Rolle bei induzierter Transdifferenzierung durch Missexpression des Transkriptionsfaktors (TF) HLH-1, welcher das Wurmhomolog des myogenen bHLH TF MyoD ist, spielen. Ich entwickelte hierzu einen semiautomatischen Hochdurchsatz-Vorwärtsgenetik-Screen, indem ich EMS Mutagenese mit dem Biosorter-System (Union Biometrica) kombinierte. Mit diesem Ansatz ist es mir gelungen, die Mutante bar18 zu isolieren, die eine Anhäufung an Muskelzellkernen um den posterioren Teil des Pharynx zeigt. Ich identifizierte den mutierten Lokus, indem ich das gesamte Genom sequenzierte und charakterisierte den mutanten Phänotyp im Detail. Zusätzlich war ich bei der Charakterisierung von Faktoren, die das Umprogrammieren zu neuronalen Zellen in C. elegans verhindern, beteiligt. Dabei stand der sogenannte FACT-Komplex im Focus, welcher mittels eines genom-weiten RNAi-Screen in unserer Arbeitsgruppe identifiziert wurde. Interessanterweise ist eine der FACT-Komplex-Untereinheiten, spt-16, das parentale Gen zu dem bislang nicht charakterisierten Pseudogen F55A3.7. Eine putative Null-Mutante von F55A3.7, in Kombination mit ubiquitärer Überexpression von CHE-1, zeigte einen Keimzellen-zu-Neuronen Transdifferenzierungsphänotyp ähnlich dem Phänotypen, der nach dem Knock-down der FACT-Komponente hmg-3 beobachtet wird. Unseres Wissens nach ist dies das erste Beispiel einen Pseudogens, dessen Knock-down dazu führt, dass ein bestimmtes Gewebe durch einen terminalen Selektor-TF reprogrammiert werden kann, dessen Expression unter normalen Konditionen dies nicht zur Folge hätte. Aufgrund dieser Einzigartigkeit, habe ich das Pseudogen F55A3.7 charakterisiert und außerdem versucht, einen Mechanismus zu finden, wie F55A3.7 die Keimbahnidentität schützt. / My aim was to identify and characterize genetic factors in C. elegans that play a role in induced transdifferentiation by mis-expressing the transcription factor (TF) HLH-1, which is the worm homolog of the myogenic bHLH TF MyoD. For this, I developed a semi-automated high-throughput forward genetic screen combining EMS mutagenesis with the Biosorter system (Union Biometrica). When mis-expressed, HLH-1 induces muscle fate in early embryonic cells, but terminally differentiated cells are resistant to HLH-1-induced direct reprogramming. In order to identify mechanisms that antagonize HLH-1-induced reprogramming, I used a transgenic line allowing ectopic expression of hlh-1 in combination with a reporter for muscle fate. Using this approach, I isolated the mutant bar18, showing an accumulation of muscle cell nuclei around the posterior pharyngeal bulb. I identified the mutated locus using whole genome sequencing and characterized the identified gene and the mutant phenotype further. Additionally, I was also involved in characterizing the FACT complex, which was identified through a whole-genome RNAi screen conducted by my colleague Ena Kolundžić. This reverse genetic screen aimed at identifying factors that play a role in induced transdifferentiation by mis-expressing the TF CHE-1, a Zn-finger TF essential for terminal differentiation of glutamatergic ASE neurons. Interestingly, one of the FACT complex members, spt-16, is the parental gene of a previously uncharacterized pseudogene named F55A3.7. A putative null mutant of F55A3.7, combined with broad overexpression of CHE-1, showed a germ cells to neurons transdifferentiation phenotype. To our knowledge, this is the first example of a pseudogene whose depletion leads to the permissiveness of a certain tissue to be reprogrammed when challenged by a terminal selector TF. Due to this uniqueness, I characterized the pseudogene F55A3.7 and tried to find a potential mechanism for how F55A3.7 safeguards germline identity.

Die vorliegende Arbeit untersucht das Differenzierungsverhalten adulter muriner Knochenmarkzellen im Zentralnervensystem in vivo und in vitro. Hierzu wurden letal bestrahlte Mäuse mit Knochenmark aus transgenen Mausmutanten transplantiert, die das grün fluoreszierende Protein (GFP) unter der Kontrolle des humanen GFAP-Promoters exprimieren. Ein Teil der Rezipienten wurde vier Wochen nach Transplantation einer transienten fokalen cerebralen Ischämie unterzogen, um den Einfluss postischämischer inflammatorischer Vorgänge auf das Differenzierungsverhalten eingewanderter Zellen zu untersuchen. Eine zelluläre Koexpression von GFP und GFAP als Zeichen der Differenzierung hämatogener Zellen zu GFAP-exprimierenden Astrozyten fand sich bei keinem der analysierten Tiere. Für die in vitroVersuche wurden murine Knochenmarkzellen auf Mausastrozyten und auf organotypischen entorhinal-hippocampalen Hirnschnitten kokultiviert. Die hierzu verwendeten Knochenmarkzellen waren entweder retroviral mit GFP transfiziert oder stammten aus zwei verschiedenen transgenen Mausmutanten, von denen eine GFP nahezu ubiquitär unter dem b-Actin-Promoter, die andere GFP unter der Kon-trolle des humanen GFAP-Promoters exprimiert. Während zahlreiche Knochenmarkzellen nach wenigen Tagen der Kokultur die morphologischen Charakteristika ruhender Mikroglia annahmen und Immunoreaktivität für den Makrophagen/Mikroglia-Marker Iba1 aufwiesen, fand sich keine einzige Zelle mit Koexpression von GFP und GFAP. Diese Ergebnisse sprechen dafür, dass adulte murine Knochenmarkzellen bzw. ihre Abkömmlinge im zirkulierenden Blut nicht in GFAP-exprimierende Astrozyten differenzieren. / It has been postulated that adult murine bone marrow cells have the potential to differentiate into cells of neuroectodermal origin. In order to examine whether bone marrow cells can adopt an astroglial fate, various in vivo and in vitro approaches were chosen. Lethally irradiated recipient mice were transplanted with bone marrow derived from transgenic mice which express the green fluorescent protein (GFP) under the control of the human GFAP promoter. Four weeks after transplantation, several animals underwent transient focal cerebral ischemia. Although postischemic inflammatory processes may eventually have a permissive effect on cell differentiation, not a single cells coexpressing GFAP and GFP was found in the brains of all reci-pients examined. For in vitro studies, murine bone marrow cells were co-cultured on astrocytic monolayers or organotypic entorhinal-hippocampal brain slices. Bone marrow cells were either labelled by retroviral transfection with GFP or derived from two different transgenic mouse mutants expressing GFP under the control of the human GFAP-promoter or the murine b-Actin-promoter, respectively. After several days of co-culture bone marrow derived cells developed a ramified morphology and showed immunoreactivity for the monocytic/microglial marker Iba1. However, differentiation of bone marrow derived cells into GFAP-expressing astrocytes was not observed. Our results suggest that adult murine bone marrow cells cannot differentiate into GFAP-expressing astrocytes in vivo or in vitro.

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