In der vorliegenden Arbeit sollten Ziel-Proteine der Mikrotubulus-assoziierten PP2A gefunden werden. Anhand phänotypischer Ähnlichkeiten zwischen OS- und Greig-, Acrocallosal- bzw. Pallister-Hall-Syndrom-Patienten wurde eine mögliche Interaktion zwischen dem MID1-alpha4-PP2A-Komplex und GLI3, einem zentralen Transkriptionsfaktor der SHH-Signaltransduktionskaskade, postuliert. In einer Reihe von zellbiologischen und proteinbiochemischen Experimenten konnte gezeigt werden, dass sowohl die intrazelluläre Lokalisation des GLI3 als auch der Phosphorylierungsstatus von Fu, einem Interaktionspartner von GLI3, über den MID1-alpha4-PP2A-Komplex und Mikrotubulus-assoziierter PP2A-Aktivität reguliert werden. Erhöhte Aktivität der Mikrotubulus-assoziierten PP2A führt hierbei zur Dephosphorylierung von Fu und zu einer Akkumulation des GLI3 im Cytosol, während verringerte PP2A-Aktivität zu einer Anreicherung der hyperphosphorylierten Form des Fu und zur Akkumulation des GLI3 im Nukleus führt. Darüber hinaus konnte GSK3beta als die der Mikrotubulus-assoziierten PP2A entgegenwirkende Kinase identifiziert werden. Eine verringerte Aktivität der GSK3beta führt zur Dephosphorylierung von Fu und zu einer Akkumulation des GLI3 im Cytosol. Außerdem wurde in der vorliegenden Arbeit eine Interaktion zwischen GLI3 und der hyperphosphorylierten Form des Fu beschrieben. Die Hyperphosphorylierung von Fu wird über die gegenläufigen Aktivitäten der Mikrotubulus-assoziierten PP2A und GSK3beta reguliert. Durch die Interaktion des hyperphosphorylierten Fu mit cytosolischem, nicht phosphorylierten GLI3 wird dessen Phosphorylierung gesteuert. Phosphoryliertes GLI3 reichert sich im Zellkern an und die Transkription von SHH-Zielgenen wird induziert. Die in dieser Arbeit identifizierten Mechanismen sind ein möglicher zellbiologischer Hintergrund der Übereinstimmung in den klinischen Erscheinungsbildern von OS und Syndromen, die mit Genen der SHH-Signaltransduktionskaskade assoziiert sind. / Misregulation of microtubule-associated phosphatase 2A (PP2A) activity as a result of mutations in the ubiquitin ligase MID1 plays a central role in the pathogenesis of Opitz BBB/G syndrome (OS). Features typical for OS are shared by patients with mutations in GLI3 and PATCHED1 (PTC1), two members of the Sonic Hedgehog (SHH) pathway. These observations suggest that MID1 / PP2A may also be involved in the transduction of the SHH signal. Here we demonstrate that nuclear translocation of the transcription factor GLI3, a major effector of the SHH pathway, is regulated by the activity of the microtubule-associated pool of PP2A. This effect is reproduced pharmacologically by lithium chloride (LiCl), a potent inhibitor of glycogen synthase kinase 3beta (GSK3beta), and correlates with the phosphorylation status of human Fused (hFu), a GLI3 interaction partner. Our data suggest an antagonistic relationship between PP2A and GSK3beta as regulators of SHH signaling and provide a molecular basis for the phenotypic overlap between patients with OS and SHH pathway mutations.

Mutationen von Transkriptionsfaktoren (TF) betreffen nicht nur die Funktion des TFs, sondern auch die Expression seiner Zielgene und liegen häufig angeborenen Entwicklungsdefekten zugrunde. Über 20 Mutationen in HOXD13, einem TF der die Entwicklung der Extremitäten kontrolliert, sind bisher als Ursache verschiedenartiger Extremitätenfehlbildungen entdeckt worden. Eine molekularbiologische Grundlage für die Vielgestaltigkeit der HOXD13-Mutationen ist jedoch unbekannt. Die bisherigen Methoden zur funktionellen Charakterisierung von TF-Mutationen ermöglichten eine lediglich eingeschränkte Interpretation der molekularen Pathomechanismen. Die kürzlich entwickelte ChIP-seq Methode ermöglicht eine umfassende, funktionelle Charakterisierung eines TFs. In dieser Arbeit wurde eine Methode etabliert, um eine Vielzahl von Transkriptionsfaktoren und TF-Mutationen systematisch zu untersuchen. Zur Validierung wurden zwei neue Punktmutationen in HOXD13, p.Q317K und p.R298Q, charakterisiert. Beide Mutationen betreffen die DNA-bindende Domäne von HOXD13, rufen aber stark unterschiedliche Fehlbildungen hervor. Die Ergebnisse zeigen, dass die HOXD13Q317K Mutante eine veränderte Sequenzspezifität aufweist, welche nun jener eines anderen TFs, PITX1, ähnelt. Auch genomweit zeigt HOXD13Q317K ein Bindungsprofil, welches eher PITX1 als HOXD13wt entspricht. Durch weitere, unabhängige Analysen und Experimente wurde bestätigt, dass die p.Q317K Mutation HOXD13 in einen TF mit PITX1-ähnlichen Eigenschaften verändert. Die HOXD13R298Q-Mutante zeigt eine weitgehend unveränderte Bindungssequenz gegenüber HOXD13wt, jedoch eine veränderte Zusammensetzung der genomischen Bindestellen. Dies weist, in Kombination mit dem humanen Phänotyp auf einen dominant-negativen Pathomechanismus dieser Mutanten hin. Zusammengenommen zeigt diese Arbeit durch die Erhebung von experimentellen Daten, dass klar unterscheidbare molekularbiologische Mechanismen den HOXD13Q317K- und HOXD13R298Q-Mutationen zugrunde liegen. / Mutations in transcription factors (TF) do not only affect the function of the TF, but also the expression of its target genes and are frequently underlying congenital malformations. More than 20 distinct pathogenic mutations in HOXD13, a TF controlling limb development, have been associated with a broad range of limb malformations. However, a molecular basis underlying the variability of HOXD13-associated phenotypes remains elusive. To date, the experimental methods used to functionally characters TF mutations have allowed only limited insights into the underlying molecular pathomechanisms. The recently developed ChIP-seq technology has proven to be a powerful method to profile the binding characteristics of TFs; however a number of technical hurdles hinder its application for functional characterization of mutant TFs. This work describes the establishment of a ChIP-seq approach to investigate a wide spectrum of TFs and TF mutations. The approach was applied to characterize two previously unknown missense mutations in HOXD13, p.Q317K and p.R298Q, which both alter the DNA-binding domain of HOXD13 but cause very different disease phenotypes. The results show that the HOXD13Q317K mutant has an altered sequence specificity that resembles the recognition sequence of another TF, PITX1. Further, the genome-wide binding pattern of HOXD13Q317K shifts towards a more PITX1-like binding pattern. Even further analysis and viral overexpression in chicken limb buds confirm that the mutation partially converts HOXD13Q317K into a TF with PITX1-like properties. The HOXD13R298Q has a largely unchanged sequence specificity, but an altered composition of genomic binding sites. This, in combination with the human phenotype, indicates that the mutant might act in a dominant-negative manner. Collectively, this work shows through generation of direct experimental evidence, that clearly distinct molecular mechanisms underlie the pathogenicity of HOXD13Q317K and HOXD13R298Q mutations.

In dieser Dissertation wurde eine isolierte Brachydaktylie vom Typ E (BDE) untersucht. Grundlage war eine Familie mit autosomal-dominanten Erbgang BDE. Der genetische Hintergrund ist eine balancierte Translokation t(8;12)(q13;p11.2). Der Bruchpunkt auf derivativem Chromosom der(8) liegt 86 kb strangaufwärts des chondrogenetisch essentiellen Kandidatengens PTHLH (Parathyroid hormone like hormone). PTHLH ist für die Differenzierungsrate von proliferativen Chondrozyten verantwortlich. Positiv oder negativ reguliertes Pthlh führen zu einer Dysbalance mit Brachydaktylie-ähnlichen Phänotypen in murinen Tiermodellen. Der Leserahmen des Kaliumkanals KCNB2 auf Chromosom 8 wurde durch die Translokation in Intron 2 getrennt. Chrondrogenetische KCNB2 Funktionen konnten durch in situ Hybridisierungen ausgeschlossen werden. Der Translokationsbruchpunkt auf der(8) liegt in einer in Mammalia hochkonservierten Region und beeinhaltet ein Bindungsmotiv für AP1 Transkriptionsfaktoren. Durch die Translokation befindet sich in unmittelbarer Nähe eine Kernkonsensussequenz für ETS Transkriptionsfaktoren. AP1 und ETS Transkriptionsfaktoren interagieren und wurden auf eine potentielle PTHLH Regulation untersucht. Epigenetische Histonmodifizierungen, charakteristisch für cis-regulatorische Elemente, sowie Reportergenassays mit AP1 und ETS1 Bindungsmotiven zeigten einen Bezug zur PTHLH Regulation. Bindungsassays mit AP1 und ETS1 Transkriptionsfaktoren an den Bruchpunktsequenzen, sowie funktionelle in vitro Experimente mit Chondrozyten verifizierten die Hypothese, dass der Translokationsbruchpunkt strangaufwärts von PTHLH regulatorische Eigenschaften besitzt. Die AP1 und ETS1 Transkriptionsfaktoren regulierten PTHLH positiv in ATDC5 und C28/I2 Chondrozyten. In chondrogeninduzierten Patientenfibroblasten war die PTHLH Expression inhibiert. Die molekulare Pathogenese der BDE wurde durch die bisher unbekannte chondrogene PTHLH Fehlregulation dargestellt. / We studied a 3-generation family with Brachydactyly Type E (BDE) and identified a t(8;12)(q13;p11.2) translocation. We identified PTHLH (Parathyroid hormone like hormone) on chromosome 12p11.2 and the ionchannel KCNB2 on chromosome 8q13 as candidate genes. KCNB2 was disrupted in intron 2, while the chromosome 12 breakpoint is localized 86 kb upstream of PTHLH; only the latter gene is involved in chondrogenesis. The 12p11.2 breakpoint is conserved and features an AP1 binding site 86 kb upstream of PTHLH. Due to the translocation, an ETS binding site from 8q13 resided near the AP1 site. Since both transcription factors interact, we tested if AP1 and ETS1 can activate PTHLH in ATDC5 and C28/I2 chondrocytes. We used the breakpoint sequences of the derivative chromosomes 8 and 12 and the nonaffected chromosome 8 and 12 allele sequences in reporter-gene assays. Reporter-gene constructs containing the der(8) breakpoint revealed activation in murine and human chondrocytes. The enrichment of histone modifications, implicating cis-regulatory effects were investigated in the breakpoint area. We found the enriched histone H3K4me1 modification at the chromosome 12 breakpoint position in murine and human chondrocytes, while affected fibroblasts showed higher H3K4me1 enrichment at the der(8) breakpoint compared to wt(12) allele. Furthermore, the breakpoint sequence bound to AP1 and C-ets-1 in EMSA. Western blotting after PMA-stimulated AP1 and ETS1 activation and overexpression of different AP1 and ETS1 combinations showed activated PTHrP expression in chondrocytes. In chondrogenic induced BDE fibroblasts PTHLH was inhibited, while IHH was upregulated. We suggest that PTHLH was dysregulated by the translocation in BDE chondrocytes. This could lead to BDE. We highlight the impact to characterize genomic breakpoints in detail and demonstrate a novel AP1- and ETS1-directed chondrogenic PTHLH regulation in wild-type chondrocytes and dysregulation in the pathogenesis of BDE.