Thesis (Doctoral)--Ludwig-Maximilians-Universität München, 1982.

M. Fabry ist eine X-chromosomal vererbte Stoffwechselerkrankung. Die Mutation im α-Galactosidase A Gen führt zur reduzierten Aktivität des Enzyms und zur Akkumulation der Stoffwechselprodukte im gesamten Körper. Von der daraus resultierenden Multiorganerkrankung sind sowohl Männer, als auch Frauen betroffen. Als Grund hierfür steht eine verschobene X-Inaktivierung zur Diskussion. In der vorliegenden Arbeit wurden 104 Frauen rekrutiert und die X-Inaktivierungsmuster in Mundschleimhautepithel, Blut und Hautfibroblasten untersucht. Es wurden umfangreiche klinische und laborchemische Untersuchungen durchgeführt, sodass von jeder Patientin ein klinischer Phänotyp vorlag, der mit Hilfe eines numerischen Scores klassifiziert wurde. Es zeigte sich, dass Blut ein leicht zu asservierendes Biomaterial mit einer hohen Prävalenz an verschobenen X-Inaktivierungsmustern darstellt. Eine signifikante Korrelation mit dem klinischen Phänotyp konnte in keinem der drei untersuchten Gewebe nachgewiesen werden. / Fabry disease is a X-linked lysosomal storage disorder caused by mutations in the α-galactosidase A gene, which leads to deficient activity of the enzyme. The resulting multisystem disease affects men as well as women. As a reason therefor the X-inactivation is discussed. This study recruited 104 women and investigated in X-inactivation patterns from mouth epithelial cells, blood and skin fibroblasts. A clinical and laboratory examination of each women was carried out, so that the clinical phenotype of the women was classified with a numeric score. It was shown that blood is an easy available biomaterial with a high prevalence of skewing in X-inactivation patterns. However no significant correlation was found between X-inactivation patterns and the clinical phenotype in all three investigated biomaterials.

Zugl.: Leipzig, Univ., Diss., 2009

The nematode Auanema rhodensis has recently been established as a new model organism. A. rhodensis is characterized by the simultaneous existence of three phenotypical sexes (males, females and hermaphrodites; called trioecy), skewed sex ratios which do not follow Mendel's laws, and variant segregation patterns according to sex and type of gametogenesis. Recently, A. rhodensis has been used to study the possible mechanisms for sex determination in three-sexed species and the variability of basic processes during sexual reproduction including meiotic divisions. During male meiosis, a diploid primary spermatocyte undergoes two consecutive divisions to form four haploid spermatids. Surprisingly, male meiosis in A. rhodensis results in two functional and two nonfunctional spermatids depending on the presence of an X-chromatid. A. rhodensis males exhibit a set of paired autosomes and one single X-chromosome, like males of the wellestablished nematode model organism Caenorhabditis elegans. In contrast to C. elegans, however, the X-chromosome in A. rhodensis divides precociously into its sister chromatids during the first meiotic division followed by a lagging X-chromatid and its uneven distribution during meiosis II. Additionally, the second meiotic divi-sion within this species is characterized by an asymmetric organelle distribution and a spindle structure reminiscent of a monopolar spindle. In this study, serial section electron tomography was used to analyse the ultrastructure of the microtubule skeleton in spermatocytes of A. rhodensis. The analysis of spermiogenesis using electron tomography posed some key advantages compared to standard transmission electron microscopy. First, the microtubule (MT) network could be studied in detail including spindle formation, organization of spindle poles, rearrangement of MTs, and inter-action between MTs and chromosomes. Second, the number and shape of chromosomes could be visualized. And third, the morphology of organelles could be observed at high resolution, and different organelles as well as their distribution pattern could be distinguished and quantified. This study provides highresolution 3D information about male meiosis in A. rhodensis. The results of this thesis confirm the complexity of the male meiotic program and the promi-nent position of the X-chromatid in meiosis II in this organism. Like previous light microscopic studies, electron tomography supports the hypothesis of an X-chromatid-dependent distribution of cellular organelles such as fibrousbody membranousorganelles (FB-MOs) and mitochondria. Furthermore, the formation of an asymmetric spindle could be observed with progressing anaphase II and might be associated with the X-chromatid distribution. Additionally, the analysis of the number of chromosome-associating MTs and their association character gives new insights into possible chromosome segregation mechanisms. Finally, significant differences to the male meiotic program in C. elegans have been identified. For the first time, the MT network in A rhodensis spermatocytes of different division stages has been observed in detail, and several different analyses could be done, including an analysis of the length distribution of MTs in the spindles. Because this ultrastructural analysis is based on fixed samples, live-cell imaging should be performed in the future to gain further information on the chromosome dynamics in this species. / Der Fadenwurm Auanema rhodensis hat sich in den letzten Jahren mehr und mehr zu einem neuen Modellorganismus entwickelt. Typisch für A. rhodensis ist das zeitgleiche Vor-kommen dreier phänotypischer Geschlechter (Männchen, Weibchen und Hermaphroditen; die sogenannte Triözie) und deren zahlenmäßig ungleiches Verhältnis zueinander, welches sich nicht durch Mendelsche Regeln erklären lässt. Ebenfalls auffällig sind nach Geschlecht und Gametogenese (Oogenese oder Spermatogenese) abweichende chromosomale Segregationsmuster. Unlängst hat A. rhodensis zu Erkenntnissen über die Geschlechtsdeterminierung in dreigeschlechtlichen Arten und die Varianz grundlegender Prozesse in der Meiose beigetragen. Während der männlichen Meiose (Spermatogenese) teilt sich eine diploide primäre Vorläuferzelle (primäre Spermatozyte) in zwei aufeinanderfolgenden Teilungen in insgesamt vier haploide Spermatiden. Bei A. rhodensis führt die Spermatogenese ungewöhnlicher-weise zu zwei funktionalen und zwei nicht-funktionalen Spermatiden, wobei die Funktionsfähigkeit vom Auftreten eines X-Chromatids abhängt. Männchen von A. rhodensis besitzen, ähnlich wie im Modellorganismus Caenorhabditis elegans, eine Reihe gepaarter Autosomen sowie ein einzelnes X-Chromosom. Im Gegensatz zu C. elegans teilt sich das ungepaarte X-Chromosom in A. rhodensis vorzeitig schon während der ersten meiotischen Teilung in seine Chromatiden, wodurch es zu einer verzögerten und ungleichen Verteilung des X-Chromatids während der zweiten meiotischen Teilung kommt. Diese zweite meiotische Teilung bei A. rhodensis ist außerdem durch eine asymmetrische Verteilung der Organellen und Mikrotubuli gekennzeichnet, letztere ähneln einer monopolaren Spindel. In dieser Arbeit wurde die Methode der seriellen Elektronentomographie genutzt, um die Ultrastruktur der Mikrotubuli in meiotischen Spindeln in Spermatozyten von A. rhodensis zu untersuchen. Zum einen wurden mittels Elektronentomographie das Netzwerk der Mikrotubuli und die Spindelorganisation, die Struktur der Spindelpole sowie die Interaktion zwischen Mikrotubli und Chromosomen drei-dimensional (3D) analysiert. Zum anderen wurde die Form der Chromosomen und die Morphologie und Verteilung der verschiedenen Organellen quantitativ erfasst. Somit stellt diese Studie hochauflösende 3D-Information über den Ablauf der männlichen Meiose in A. rhodensis zur Verfügung und bestätigt damit die Komplexität der männlichen Meiose und die zentrale Rolle des X-Chromatids während der zweiten meiotischen Teilung in diesem Organismus. Basierend auf vorangegangenen lichtmikroskopischen Experimenten an fixierten Proben unterstützt die Elektronentomographie die Hypothese einer vom X-Chromatid abhängigen Verteilung zellulärer Organellen wie spermienspezifischer FB-MOs oder Mitochondrien während der zweiten meiotischen Teilung. Außerdem konnte die Ausbildung einer asymmetrischen Spindel beobachtet werden, welche ebenfalls mit der ungleichen Verteilung des X-Chromatids in Zusammenhang stehen könnte. Eine zusätzliche Analyse chromosomenassoziierter Mikrotubuli brachte erste Erkenntnisse über mögliche zugrundeliegende Mechanismen der Chromosomensegregation. Die Ergebnisse dieser Arbeit konnten mit ähnlichen Untersuchungen in C. elegans verglichen und Unterschiede herausgearbeitet werden. Zum ersten Mal wurden hier meiotische Spindeln unterschiedlicher Teilungsstadien in 3D untersucht und unterschiedliche quantitative Analysen zur Längenverteilung der Mikrotubuli durchgeführt. Da alle hier gewonnenen Ultrastrukturdaten auf fixierten Proben basieren, sollte eine Betrachtung einer transgenen Wurmlinie mit Fluoreszenzmarkern mittels live-cell imaging auf diese Ultrastrukturanalyse folgen.

X-Chromosom-Inaktivierung (XCI) ist der Mechanismus, den Säuger zur Dosiskompensierung zwischen weiblichen und männlichen Zellen verwenden. XCI wird ausgelöst durch die monoallelische Hochregulation der langen nicht-kodierenden RNA Xist von einem der zwei X-Chromosomen in weiblichen Zellen. Die Xist RNA vermittelt dann das Ausschalten der Gene auf diesem X-Chromosom. Das wirft einige interessante Fragen auf: Wie zählen Zellen ihre X-Chromosomen und stellen sicher, dass genau eines aktiv bleibt? Wie entscheiden sie, welches X-Chromosom aktiv bleibt und welches ausgeschaltet wird? Und wie erinnern sie sich an diese Entscheidung und behalten sie stabil bei durch alle weiteren Zellteilungen? Mithilfe eines stochastischen Modells zeigen wir, dass diese XCI Regulation prinzipiell durch nur zwei Regulatoren erklärt werden kann: Ein global (in trans) agierender XCI Aktivator und ein lokal (in cis) agierender XCI Repressor. Dieses Netzwerk aus nur zwei Regulatoren kann die Xist Expressionsmuster in verschiedenen Säugerspezies reproduzieren, von der Maus bis zum Mensch. Es sagt außerdem voraus, dass Zellen in der Lage sind, biallelische zu monoallelischer Xist Expression zu korrigieren, eine Vorhersage, für die wir tatsächlich experimentelle Belege finden. Mit einem mechanistischen Modell zeigen wir, dass das cis-Gedächtnis über den Xist Expressionszustand durch Antisense-Transkription zustande kommen könnte. Auf dieser Hypothese aufbauend untersucht der zweite Teil der Arbeit das Potential von Antisense-Transkription, ein lokales Gedächtnis über den Expressionszustand eines Gens zu generieren, genauer. Diese Analyse sagt vorher, dass Antisense-Repression den Expressionszustand eines Lokus tatsächlich für einige Tage stabil erhalten kann. / X-chromosome inactivation (XCI) is the mechanism for dosage compensation between the sexes in mammals. It is initiated through monoallelic upregulation of the long non-coding RNA Xist from one X chromosome, which mediates almost complete transcriptional silencing of this X chromosome. XCI regulation raises intriguing and thus far unanswered questions: How do cells count their X chromosomes and ensure that exactly one stays active? How do they make a mutually exclusive choice for one inactive X chromosome, and how do they then stably maintain this choice throughout subsequent cell divisions? Using stochastic modeling, we show that XCI onset only requires two regulators: A trans-acting Xist activator that ensures female specificity and a cis-acting Xist repressor that allows stable maintenance of alternative Xist expression states. This two-regulator network can recapitulate Xist expression patterns across different species and makes a novel prediction that is validated experimentally: Cells are able to revert biallelic Xist expression to monoallelic expression. With a mechanistic stochastic model we show that Xist's antisense transcript Tsix might be the cis-acting Xist repressor, uncovering the molecular mechanism behind the stabilization of the alternative Xist expression states. Building upon Tsix' possible functional role in stabilizing alternative Xist expression states on the active and inactive X chromosome, the second part of this thesis investigates the potential of antisense transcription to maintain a transient transcriptional memory. We find that mutual repression between a pair of antisense genes can allow the locus to remember the transcription state it has acquired due to a past signal for several days.