Das globale Phänomen Übergewicht erhöht das Risiko für die Entwicklung von Diabetes, Atherosklerose und Herz-Kreislauf-Erkrankungen. Diese sind assoziiert mit der Expression des Transmembranproteins Glycoprotein nonmetastatic melanoma protein b (Gpnmb), das von Makrophagen und dendritischen Zellen exprimiert wird. Wir haben die Rolle von Gpnmb in genetisch- und diät-induzierter Atherosklerose sowie in diät-induzierter Adipositas in Gpnmb-Knockout- und Wildtyp-Mäusen untersucht. Körpergewicht und Blutfette wurden in beiden Erkrankungen nicht von Gpnmb beeinflusst. Gpnmb wurde in Makrophagen von atherosklerotischen Läsionen stark exprimiert, jedoch hatte das Fehlen von Gpnmb keinen Einfluss auf die Größe der Aortenläsion. In Übergewicht konnten wir dagegen einen größeren Effekt von Gpnmb detektieren. Gpnmb hatte einen positiven Einfluss auf den Insulin- und Glukoseplasmaspiegel sowie auf die Leberfibrose bei adipösen Mäusen. Gpnmb-Knockout-Tiere besaßen mehr Makrophagen im epididymalen Fettgewebe. Da Gpnmb in den entsprechenden Makrophagen von Wildtyp-Mäusen stark exprimiert wurde, könnte Gpnmb eine abschwächende Rolle auf Entzündungen des Fettgewebes haben. Dies wird durch in-vitro-Daten bestätigt, wo Gpnmb hauptsächlich in reparativen, TGFβ-stimulierten Makrophagen exprimiert wurde. Diese Expression führte jedoch nur zu einer leichten entzündungshemmenden Wirkung. Eine weitere Aufgabe von Makrophagen, die Autophagie, wurde durch Gpnmb nicht beeinflusst. Dies ist überraschend, da die Expression, die Freisetzung und der Abbau von Gpnmb durch Bafilomycin, einem Inhibitor des letzten Schritts der Autophagie, auf einzigartige Weise erhöht wurde. Zusammenfassend ist die Gpnmb-Expression in voll ausgereiften Makrophagen stark induziert und kann durch lysosomale Hemmung weiter gesteigert werden. Bei Adipositas verhindert Gpnmb die Entwicklung einer Insulinresistenz, möglicherweise durch Dämpfung der Entzündung des Fettgewebes. / Obesity, an emerging global phenomenon, increases the risk for the development of diabetes, atherosclerosis and cardiovascular diseases. Those metabolic diseases have been associated with the expression of glycoprotein nonmetastatic melanoma protein b (Gpnmb), a transmembrane protein that is expressed by macrophages and dendritic cells. We studied the role of Gpnmb in genetically- and diet-induced atherosclerosis as well as diet-induced obesity in Gpnmb-knockout and respective wildtype control mice. The absence of Gpnmb did not affect body weight and blood lipid parameters in both diseases. Whereas Gpnmb was strongly expressed in atherosclerotic lesion-associated macrophages, the absence of Gpnmb did not influence the development of aortic lesion size. On the other hand, the absence of Gpnmb elicited stronger effects in obesity. We observed a positive influence of Gpnmb on insulin and glucose plasma levels as well as liver fibrosis in obese mice. Moreover, Gpnmb-knockout animals contained more macrophages in epididymal adipose tissue. Gpnmb was strongly expressed in adipose tissue macrophages in wildtype mice, suggesting an alleviating role of Gpnmb on adipose tissue inflammation. This was corroborated by in vitro data where Gpnmb was mostly expressed in reparative macrophages stimulated with transforming growth factor β (TGFβ). However, this expression resulted only in a mild anti-inflammatory effect. Another important macrophage feature, autophagy, was not influenced by Gpnmb. This is surprising as Gpnmb expression, shedding and degradation was uniquely increased by bafilomycin, an inhibitor of the last step of autophagy. Taken together, Gpnmb expression is strongly induced in fully mature macrophages and can be further increased due to lysosomal inhibition. In obesity, Gpnmb prevents the development of insulin resistance possibly by dampening adipose tissue inflammation.

Diabetes ist ein weltweites Problem, das durch den Verlust oder die Dysfunktion der Insulin-produzierenden β-Zellen des Pankreas verursacht wird. In seltenen Fällen entsteht Diabetes durch eine Mutation in einem einzigen Gen. Diese monogenetischen Formen des Diabetes können zur Identifizierung neuer Regulatoren der β-Zellen-Entwicklung und -Funktion beitragen. In der vorliegenden Arbeit habe ich neue putative Diabetes-assoziierte Gene untersucht, die zuvor durch „Next-Generation“ Sequenzierung in einer Gruppe von Kindern und Jugendlichen mit idiopathischem Diabetes festgestellt wurden. Insbesondere analysierte ich neuartige Mutationsvarianten in Genen kodierend für Histone deacetylase 4 (HDAC4), Glioma-associated oncogene homolog 1 (GLI1) und Glioma-associated oncogene homolog 2 (GLI2). Basierend auf den folgenden Kriterien wurden diese Transkriptionsregulatoren zur weiteren funktionellen Analyse priorisiert: Genetische Information, Patientenphänotyp und Expressionsprofil der Kandidaten Gene in Mauspankreas-Vorläuferzellen. Um die Rolle der Varianten während der pankreatischen Zelltypspezifizierung zu untersuchen, nutzte ich die CRISPR-Cas9 Methode in Kombination mit Stammzellendifferenzierung. Im Detail generierte ich diverse Stammzellen mittels CRISPR-Cas9, die die Mutationsvarianten der Patienten trugen und differenzierte diese zu β-ähnlichen Zellen. Weitere in vitro und Transkriptionsanalysen zeigten, dass die Variante c.C4661T in GLI2 die Entwicklung der β-ähnlichen Zellen beeinträchtigte, was für eine genetische Prädisposition zur Entwicklung von Diabetes verantwortlich sein kann. Zusätzlich nutzte ich diese Plattform, um neue extrinsische Faktoren zu untersuchen und zeigte, dass die fördernde Rolle von HC toxin (HDAC Inhibitor) und SLIT3 (ROBO Ligand) konserviert ist. Zusammenfassend habe ich eine Differenzierungsplattform etabliert, um die Rolle von genetischen und extrinsischen Faktoren für die Entwicklung des Pankreas und/oder β-Zellen zu untersuchen. / Diabetes is a worldwide health problem caused by the loss or dysfunction of the insulin-secreting β-cells in the pancreas. Unelucidated forms of monogenic diabetes, arising from rare mutations in one single gene, represent invaluable models for identifying new targets of β-cell development and function. In this study, I focused on putative disease-associated genes for diabetes that have been previously identified by next-generation sequencing of a cohort of patients with puberty-onset diabetes. In particular, I investigated unique mutant variants in genes coding for Histone deacetylase 4 (HDAC4), Glioma-associated oncogene homolog 1 (GLI1) and Glioma-associated oncogene homolog 2 (GLI2). These transcriptional regulators were prioritized for functional analysis based on patient phenotype, expression level in pancreas progenitor cells and available genetic information. To investigate the role of the genetic mutant variants in pancreatic cell fate decisions and cell function, I used the CRISPR (clustered regularly interspaced short palindromic repeat)-Cas9 genome editing technology in combination with human induced pluripotent stem cell (iPSC)-directed β-cell differentiation. Employing these approaches, I established several patient-like iPSC lines carrying the identified heterozygous missense variants. Specifically, functional experiments and whole transcriptome analysis showed that the variant c.C4661T in GLI2 impairs human β-cell differentiation and β-cell function, which might be responsible for a genetic predisposition to develop diabetes. In addition, I used the same iPSC-based differentiation model system to study novel extrinsic factors, namely the HDAC inhibitor HC toxin and the ROBO ligand SLIT3 and uncovered their conserved role in enhancing human β-cell development. Taking together, I established a human iPSC differentiation platform to study critical genes and extrinsic factors that are necessary for human pancreas development and/or β-cells.