Glaucoma is a prevalent retinal neurodegenerative disease that is characterized by progressive visual field loss, leading to eventual blindness. The main risk factor for glaucoma is elevated intraocular pressure (IOP) which results in the damage and death of retinal ganglion cells (RGCs) and their axons. The endpoint of the disease is the death of these cells by apoptosis; therefore, blocking the activation of apoptosis was hypothesized to be an effective therapy. Magnetic microbeads were injected into the eyes of mice to induce a model of ocular hypertension. Apoptosis was targeted through viral-mediated ocular delivery of the X-linked inhibitor of apoptosis (XIAP) gene, a potent caspase inhibitor. XIAP overexpression resulted in significant protection of ganglion cell somal and axonal function in glaucomatous eyes, and their optic nerves showed preservation of axon density, counts, and myelination, suggesting XIAP was able to provide both structural and functional protection. The results of these experiments provide proof-of-principle for XIAP’s efficacy as a neuroprotective treatment for glaucoma and are an important step forward in evaluating its full therapeutic potential.

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades Dr. med. Charakterisierung des XIAP-Gens bei zwei Familien mit X-chromosomalem lymphoproliferativem Syndrom Eingereicht von: Peter Christian Horn geboren am 04.08.1982 in Freiburg Angefertigt an: Der Universitätsklinik und Poliklinik für Kinder und Jugendliche Leipzig und dem Zentrum für familiären Brust- und Eierstockkrebs der technischen Universität München Betreuer: Prof. Dr. med. Volker Schuster (Universität Leipzig) Prof. Dr. rer. nat. Alfons Meindl (TU München) Eingereicht im Dezember 2014 Das X-linked-inhibitor-of-apoptosis Protein XIAP nimmt eine zentrale Rolle in der Hemmung von Apoptoseprozessen beim Menschen ein. In Abwesenheit von XIAP kann eine defekte Immunabwehr gegenüber viralen Infektionen beobachtet werden. In Folge können lebensbedrohliche Immunreaktionen wie hämophagozytäre Lymphhistiozytose, aplastische Anämie und persistierende Hypogammaglobulinämie auftreten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde untersucht, ob bei einem Patientenkollektiv mit lymphoproliferativem Syndrom Mutationen im XIAP-Gen Auslöser der Erkrankung sind. Es wurde eine molekulargenetische Sequenzierung und Auswertung des XIAP- 5 Zusammenfassung der Arbeit 53 Gens bei 36 Verdachtsfällen eines X-chromosomal vererbten lymphoproliferativen Syndroms durchgeführt. In allen Fällen wurde der gesamte exonische Abschnitt des Gens sequenziert und auf Polymorphismen und Mutationen untersucht. Bei zwei Proben wurden Mutationen im XIAP-Gen gefunden. Weiter konnten Mutter und Bruder eines der Betroffenen untersucht werden, so dass insgesamt drei Knaben mit XIAP-Gendefekt sowie eine heterozygote Konduktorin identifiziert wurden. Nach der Identifikation der Mutationsträger erfolgte eine Auswertung der Krankenge- schichte und ein Vergleich mit den verfügbaren Beschreibungen von XIAP-Defizienz. Die beiden neu identifizierten Mutationen verursachen ein Krankheitsbild, das mit den wenigen verfügbaren Beschreibungen von XIAP-Defizienz vereinbar ist. Die Auswer- tung der Klinik der drei Betroffenen unterstützt die Hypothese, dass bei XIAP- Defizienz keine Lymphome auftreten. Die Therapieentscheidung bei XIAP-Defizienz ist einzelfallabhängig. Die Arbeit ver- gleicht den Krankheitsverlauf der neu beschriebenen Patienten mit der Literatur und unterstreicht, dass die Entscheidung zu einer Knochenmarkstransplantation gut begrün- det werden muss. Es sind inzwischen mehr Patienten bekannt, die ohne Therapie oder unter IVIG-Gabe asymptomatisch sind, als solche, die eine Knochenmarkstransplantati- on überlebt haben. Alle hier beschriebenen Patienten konnten ohne Transplantation be- handelt werden. Eine Stammzelltransplantation kann jedoch erfolgreich sein. Bei kon- servativ behandelten Patienten können Rezidive auftreten. Kritisch zu sehen sind im Licht der Erfahrung mit den XIAP-defizenten Patienten An- strengungen, XIAP-Inhibitoren zur Tumortherapie am Menschen zu entwickeln – dies könnte als Nebenwirkung paradoxe Folgen wie Lymphoproliferation oder HLH haben. Die in der Arbeit beschriebenen Patienten waren die ersten Patienten mit XIAP- Defizienz, die im deutschsprachigen Raum identifiziert wurden. Die beiden Mutationen die bei den Familien gefunden wurden, waren bisher nicht beschrieben.

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades Dr. med. Charakterisierung des XIAP-Gens bei zwei Familien mit X-chromosomalem lymphoproliferativem Syndrom Eingereicht von: Peter Christian Horn geboren am 04.08.1982 in Freiburg Angefertigt an: Der Universitätsklinik und Poliklinik für Kinder und Jugendliche Leipzig und dem Zentrum für familiären Brust- und Eierstockkrebs der technischen Universität München Betreuer: Prof. Dr. med. Volker Schuster (Universität Leipzig) Prof. Dr. rer. nat. Alfons Meindl (TU München) Eingereicht im Dezember 2014 Das X-linked-inhibitor-of-apoptosis Protein XIAP nimmt eine zentrale Rolle in der Hemmung von Apoptoseprozessen beim Menschen ein. In Abwesenheit von XIAP kann eine defekte Immunabwehr gegenüber viralen Infektionen beobachtet werden. In Folge können lebensbedrohliche Immunreaktionen wie hämophagozytäre Lymphhistiozytose, aplastische Anämie und persistierende Hypogammaglobulinämie auftreten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde untersucht, ob bei einem Patientenkollektiv mit lymphoproliferativem Syndrom Mutationen im XIAP-Gen Auslöser der Erkrankung sind. Es wurde eine molekulargenetische Sequenzierung und Auswertung des XIAP- 5 Zusammenfassung der Arbeit 53 Gens bei 36 Verdachtsfällen eines X-chromosomal vererbten lymphoproliferativen Syndroms durchgeführt. In allen Fällen wurde der gesamte exonische Abschnitt des Gens sequenziert und auf Polymorphismen und Mutationen untersucht. Bei zwei Proben wurden Mutationen im XIAP-Gen gefunden. Weiter konnten Mutter und Bruder eines der Betroffenen untersucht werden, so dass insgesamt drei Knaben mit XIAP-Gendefekt sowie eine heterozygote Konduktorin identifiziert wurden. Nach der Identifikation der Mutationsträger erfolgte eine Auswertung der Krankenge- schichte und ein Vergleich mit den verfügbaren Beschreibungen von XIAP-Defizienz. Die beiden neu identifizierten Mutationen verursachen ein Krankheitsbild, das mit den wenigen verfügbaren Beschreibungen von XIAP-Defizienz vereinbar ist. Die Auswer- tung der Klinik der drei Betroffenen unterstützt die Hypothese, dass bei XIAP- Defizienz keine Lymphome auftreten. Die Therapieentscheidung bei XIAP-Defizienz ist einzelfallabhängig. Die Arbeit ver- gleicht den Krankheitsverlauf der neu beschriebenen Patienten mit der Literatur und unterstreicht, dass die Entscheidung zu einer Knochenmarkstransplantation gut begrün- det werden muss. Es sind inzwischen mehr Patienten bekannt, die ohne Therapie oder unter IVIG-Gabe asymptomatisch sind, als solche, die eine Knochenmarkstransplantati- on überlebt haben. Alle hier beschriebenen Patienten konnten ohne Transplantation be- handelt werden. Eine Stammzelltransplantation kann jedoch erfolgreich sein. Bei kon- servativ behandelten Patienten können Rezidive auftreten. Kritisch zu sehen sind im Licht der Erfahrung mit den XIAP-defizenten Patienten An- strengungen, XIAP-Inhibitoren zur Tumortherapie am Menschen zu entwickeln – dies könnte als Nebenwirkung paradoxe Folgen wie Lymphoproliferation oder HLH haben. Die in der Arbeit beschriebenen Patienten waren die ersten Patienten mit XIAP- Defizienz, die im deutschsprachigen Raum identifiziert wurden. Die beiden Mutationen die bei den Familien gefunden wurden, waren bisher nicht beschrieben.:Inhaltsverzeichnis ........................................................................................................... 2 Abbildungsverzeichnis.................................................................................................... 4 Tabellenverzeichnis......................................................................................................... 4 Bibliographische Beschreibung ..................................................................................... 5 Abkürzungsverzeichnis .................................................................................................. 6 Vorwort ............................................................................................................................ 8 1 1.1 1.2 Einleitung................................................................................................................... 9 Ziele / Fragestellung ................................................................................................ 9 Wissensstand zu Beginn der Arbeit ....................................................................... 10 1.2.1 Begriffserklärung: Lymphoproliferative Erkrankung ......................................... 10 1.2.2 Begriffserklärung: Mononukleose ....................................................................... 11 1.2.3 Begriffserklärung: Hämophagozytische Lymphhistiozytose (HLH) .................. 11 1.2.4 X-chromosomale lymphoproliferative Syndrome – Erstbeschreibung ............... 13 1.2.5 X-chromosomale lymphoproliferative Syndrome - Entdeckung der XIAP- Defizienz.............................................................................................................. 18 1.2.6 X-chromosomale lymphoproliferative Syndrome – Klinik der XIAP- Defizienz.............................................................................................................. 22 1.3 2 2.1 Aufgabenstellung ................................................................................................... 22 Material und Methoden.......................................................................................... 25 Auswahl der zu untersuchenden Proben ................................................................ 25 2.2 2.2.1 Isolierung der DNA ............................................................................................. 26 2.2.2 Herstellung der Primer......................................................................................... 27 2.2.3 Polymerase- Kettenreaktion (PCR) und Sequenzierung ..................................... 29 2.3 3 3.1 3.1.1 3.1.2 3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 Genetische Untersuchung ...................................................................................... 25 Auswertung ............................................................................................................ 31 Resultate................................................................................................................... 32 Genveränderungen ................................................................................................. 32 Single Nucleotide-Polymorphismen .................................................................... 32 Mutationen ........................................................................................................... 32 Klinik der Patienten ............................................................................................... 33 Familie I: S347Lfs5x-Mutation ........................................................................... 33 Familie I: Mutter und zwei Onkel der Betroffenen ............................................. 34 Familie I: 27 Jahre alter, positiv getesteter Erwachsener .................................... 35 Inhaltsverzeichnis 3 3.2.4 3.2.5 3.3 4 4.1 4.1.1 4.1.2 4.2 4.3 Familie I: 29 Jahre alter, positiv getester Erwachsener ....................................... 35 Familie II: 17 Jahre alter Knabe mit R222X-Mutation ....................................... 37 Übersicht über die Klinik der Patienten ................................................................. 38 Diskussion ................................................................................................................ 41 Hauptthese: Im Patientenkollektiv können XIAP-Gen Mutationsträger identifiziert werden .............................................................................................. 41 Prozentualer Anteil positiv getesteter Proben und Vergleich mit der Literatur .. 42 Vergleich der erhobenen klinischen Daten mit der Literatur .............................. 44 Nebenthese: Bei XIAP-Defizienz werden im Gegensatz zur SAP-Defizienz keine Lymphome beobachtet ............................................................................... 46 Nebenthese: Bei der Therapie kann ein konservativer Ansatz einer Knochenmarkstransplantation vorzuziehen sein ................................................. 47 5 Anhang: Einwilligungen ............................................................................................... 54 Literaturverzeichnis ..................................................................................................... 56 Erklärung über die eigenständige Abfassung der Arbeit ......................................... 62 Lebenslauf...................................................................................................................... 63 Verzeichnis eigener Veröffentlichungen ..................................................................... 64 Danksagung ................................................................................................................... 65

XIAP and Bcl-xL are critical anti-apoptotic molecules that directly inhibit caspases and block mitochondrial membrane permeabilization, respectively. In addition to preventing apoptosis, both XIAP and Bcl-xL can be generated by cap-independent translation via the utilization of an IRES in the 5'-UTR of their mRNAs. In recent years it has been shown that activation of S6K2 induces the translational upregulation of these two apoptotic regulators. Here I have determined that activation of S6K2 enhances IRES-mediated translation of XIAP and Bcl-xL by inducing the degradation of PDCD4, which I have identified as a novel regulator of XIAP and Bcl-xL IRES elements. Furthermore, I have shown that PDCD4 is a positive modulator of the Apaf-1 IRES element. The concurrent regulation of XIAP, Bcl-xL and Apaf-1 by PDCD4 suggests a model in which the level of PDCD4 expression alters the apoptotic threshold by specifically impacting IRES-mediated translation of the XIAP, Bcl-xL and Apaf-1 mRNAs.

This thesis focuses on the regulation of the ubiquitous second messenger Ca2+ in neuronal physiology and disease. Ca2+ signalling in neurons is regulated by ion channels located in the plasma membrane, as well as in the endoplasmic reticulum (ER) and mitochondrial membranes. Ca2+ signalling is essential for numerous cellular processes, including neuronal excitability, neurotransmitter release, synaptic plasticity, and induction of cell death. Age-related disruptions in Ca2+ signalling may contribute to decline of cognitive function and motor control associated with aging. Furthermore, disruption in neuronal Ca2+ signalling is implicated in several neurodegenerative disorders including Alzheimer’s disease (AD), Parkinson’s disease (PD), Huntington’s disease (HD), and Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS). In this thesis, I studied neuronal Ca2+ signalling and how it is affected in neurodegenerative disease. First, I examined the role of the ER Ca2+ binding protein Calreticulin (CRT) in AD. CRT is involved in regulation of ER Ca2+ signalling and modulation of susceptibility to cell death. I found that there was an increase in the expression of CRT in in vitro and in vivo models of AD. However, increased levels of CRT did not alter susceptibility of neuronal cells to death induced by AD-related stressors. Second, I examined the role of X-Linked Inhibitor of Apoptosis Protein (XIAP) in the modulation of neuronal Ca2+ signalling. I found that overexpression of XIAP in neuronal cells modified Ca2+ signalling by decreasing Ca2+ flux through multiple plasma membrane and ER channels. These effects appear to be independent of caspase inhibition, which is one of the ways that XIAP can inhibit apoptosis. Third, I examined a compound found in green tea, L-theanine, a glutamate receptor antagonist that is protective in models of excitotoxic neuronal injury. I found that 24 hour L-theanine treatment reduces the amount of Ca2+ released from neuronal intracellular stores in response to both glutamate stimulation and passive leak through ER channels. An acute 30 minute L-theanine treatment had similar effects. In conclusion, these observations further the understanding of the regulation of Ca2+ signalling in neurons and may lead to novel therapeutic strategies in neurodegenerative disease. / October 2008

XIAP and Bcl-xL are critical anti-apoptotic molecules that directly inhibit caspases and block mitochondrial membrane permeabilization, respectively. In addition to preventing apoptosis, both XIAP and Bcl-xL can be generated by cap-independent translation via the utilization of an IRES in the 5'-UTR of their mRNAs. In recent years it has been shown that activation of S6K2 induces the translational upregulation of these two apoptotic regulators. Here I have determined that activation of S6K2 enhances IRES-mediated translation of XIAP and Bcl-xL by inducing the degradation of PDCD4, which I have identified as a novel regulator of XIAP and Bcl-xL IRES elements. Furthermore, I have shown that PDCD4 is a positive modulator of the Apaf-1 IRES element. The concurrent regulation of XIAP, Bcl-xL and Apaf-1 by PDCD4 suggests a model in which the level of PDCD4 expression alters the apoptotic threshold by specifically impacting IRES-mediated translation of the XIAP, Bcl-xL and Apaf-1 mRNAs.

This thesis focuses on the regulation of the ubiquitous second messenger Ca2+ in neuronal physiology and disease. Ca2+ signalling in neurons is regulated by ion channels located in the plasma membrane, as well as in the endoplasmic reticulum (ER) and mitochondrial membranes. Ca2+ signalling is essential for numerous cellular processes, including neuronal excitability, neurotransmitter release, synaptic plasticity, and induction of cell death. Age-related disruptions in Ca2+ signalling may contribute to decline of cognitive function and motor control associated with aging. Furthermore, disruption in neuronal Ca2+ signalling is implicated in several neurodegenerative disorders including Alzheimer’s disease (AD), Parkinson’s disease (PD), Huntington’s disease (HD), and Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS). In this thesis, I studied neuronal Ca2+ signalling and how it is affected in neurodegenerative disease. First, I examined the role of the ER Ca2+ binding protein Calreticulin (CRT) in AD. CRT is involved in regulation of ER Ca2+ signalling and modulation of susceptibility to cell death. I found that there was an increase in the expression of CRT in in vitro and in vivo models of AD. However, increased levels of CRT did not alter susceptibility of neuronal cells to death induced by AD-related stressors. Second, I examined the role of X-Linked Inhibitor of Apoptosis Protein (XIAP) in the modulation of neuronal Ca2+ signalling. I found that overexpression of XIAP in neuronal cells modified Ca2+ signalling by decreasing Ca2+ flux through multiple plasma membrane and ER channels. These effects appear to be independent of caspase inhibition, which is one of the ways that XIAP can inhibit apoptosis. Third, I examined a compound found in green tea, L-theanine, a glutamate receptor antagonist that is protective in models of excitotoxic neuronal injury. I found that 24 hour L-theanine treatment reduces the amount of Ca2+ released from neuronal intracellular stores in response to both glutamate stimulation and passive leak through ER channels. An acute 30 minute L-theanine treatment had similar effects. In conclusion, these observations further the understanding of the regulation of Ca2+ signalling in neurons and may lead to novel therapeutic strategies in neurodegenerative disease.

This thesis focuses on the regulation of the ubiquitous second messenger Ca2+ in neuronal physiology and disease. Ca2+ signalling in neurons is regulated by ion channels located in the plasma membrane, as well as in the endoplasmic reticulum (ER) and mitochondrial membranes. Ca2+ signalling is essential for numerous cellular processes, including neuronal excitability, neurotransmitter release, synaptic plasticity, and induction of cell death. Age-related disruptions in Ca2+ signalling may contribute to decline of cognitive function and motor control associated with aging. Furthermore, disruption in neuronal Ca2+ signalling is implicated in several neurodegenerative disorders including Alzheimer’s disease (AD), Parkinson’s disease (PD), Huntington’s disease (HD), and Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS). In this thesis, I studied neuronal Ca2+ signalling and how it is affected in neurodegenerative disease. First, I examined the role of the ER Ca2+ binding protein Calreticulin (CRT) in AD. CRT is involved in regulation of ER Ca2+ signalling and modulation of susceptibility to cell death. I found that there was an increase in the expression of CRT in in vitro and in vivo models of AD. However, increased levels of CRT did not alter susceptibility of neuronal cells to death induced by AD-related stressors. Second, I examined the role of X-Linked Inhibitor of Apoptosis Protein (XIAP) in the modulation of neuronal Ca2+ signalling. I found that overexpression of XIAP in neuronal cells modified Ca2+ signalling by decreasing Ca2+ flux through multiple plasma membrane and ER channels. These effects appear to be independent of caspase inhibition, which is one of the ways that XIAP can inhibit apoptosis. Third, I examined a compound found in green tea, L-theanine, a glutamate receptor antagonist that is protective in models of excitotoxic neuronal injury. I found that 24 hour L-theanine treatment reduces the amount of Ca2+ released from neuronal intracellular stores in response to both glutamate stimulation and passive leak through ER channels. An acute 30 minute L-theanine treatment had similar effects. In conclusion, these observations further the understanding of the regulation of Ca2+ signalling in neurons and may lead to novel therapeutic strategies in neurodegenerative disease.

XIAP and Bcl-xL are critical anti-apoptotic molecules that directly inhibit caspases and block mitochondrial membrane permeabilization, respectively. In addition to preventing apoptosis, both XIAP and Bcl-xL can be generated by cap-independent translation via the utilization of an IRES in the 5'-UTR of their mRNAs. In recent years it has been shown that activation of S6K2 induces the translational upregulation of these two apoptotic regulators. Here I have determined that activation of S6K2 enhances IRES-mediated translation of XIAP and Bcl-xL by inducing the degradation of PDCD4, which I have identified as a novel regulator of XIAP and Bcl-xL IRES elements. Furthermore, I have shown that PDCD4 is a positive modulator of the Apaf-1 IRES element. The concurrent regulation of XIAP, Bcl-xL and Apaf-1 by PDCD4 suggests a model in which the level of PDCD4 expression alters the apoptotic threshold by specifically impacting IRES-mediated translation of the XIAP, Bcl-xL and Apaf-1 mRNAs.

XIAP and Bcl-xL are critical anti-apoptotic molecules that directly inhibit caspases and block mitochondrial membrane permeabilization, respectively. In addition to preventing apoptosis, both XIAP and Bcl-xL can be generated by cap-independent translation via the utilization of an IRES in the 5'-UTR of their mRNAs. In recent years it has been shown that activation of S6K2 induces the translational upregulation of these two apoptotic regulators. Here I have determined that activation of S6K2 enhances IRES-mediated translation of XIAP and Bcl-xL by inducing the degradation of PDCD4, which I have identified as a novel regulator of XIAP and Bcl-xL IRES elements. Furthermore, I have shown that PDCD4 is a positive modulator of the Apaf-1 IRES element. The concurrent regulation of XIAP, Bcl-xL and Apaf-1 by PDCD4 suggests a model in which the level of PDCD4 expression alters the apoptotic threshold by specifically impacting IRES-mediated translation of the XIAP, Bcl-xL and Apaf-1 mRNAs.