Background Histone methylation is thought to be central to the epigenetic mechanisms that maintain and confine cellular identity in multi-cellular organisms. To examine epigenetic roles in cellular homeostasis, we conditionally mutated the histone 3 lysine 4 methyltransferase, Mll2, in embryonic stem (ES) cells, during development and in adult mice using tamoxifen-induced Cre recombination. Results In ES cells, expression profiling unexpectedly revealed that only one gene, Magoh2, is dependent upon Mll2 and few other genes were affected. Loss of Mll2 caused loss of H3K4me3 at the Magoh2 promoter and concomitant gain of H3K27me3 and DNA methylation. Hence Mll2, which is orthologous to Drosophila Trithorax, is required to prevent Polycomb-Group repression of the Magoh2 promoter, and repression is further accompanied by DNA methylation. Early loss of Mll2 in utero recapitulated the embryonic lethality found in Mll2-/- embryos. However, loss of Mll2 after E11.5 produced mice without notable pathologies. Hence Mll2 is not required for late development, stem cells or homeostasis in somatic cell types. However it is required in the germ cell lineage. Spermatogenesis was lost upon removal of Mll2, although spermatogonia A persisted. Conclusion These data suggest a bimodal recruit and maintain model whereby Mll2 is required to establish certain epigenetic decisions during differentiation, which are then maintained by redundant mechanisms. We also suggest that these mechanisms relate to the epigenetic maintenance of CpG island promoters.

Background Histone methylation is thought to be central to the epigenetic mechanisms that maintain and confine cellular identity in multi-cellular organisms. To examine epigenetic roles in cellular homeostasis, we conditionally mutated the histone 3 lysine 4 methyltransferase, Mll2, in embryonic stem (ES) cells, during development and in adult mice using tamoxifen-induced Cre recombination. Results In ES cells, expression profiling unexpectedly revealed that only one gene, Magoh2, is dependent upon Mll2 and few other genes were affected. Loss of Mll2 caused loss of H3K4me3 at the Magoh2 promoter and concomitant gain of H3K27me3 and DNA methylation. Hence Mll2, which is orthologous to Drosophila Trithorax, is required to prevent Polycomb-Group repression of the Magoh2 promoter, and repression is further accompanied by DNA methylation. Early loss of Mll2 in utero recapitulated the embryonic lethality found in Mll2-/- embryos. However, loss of Mll2 after E11.5 produced mice without notable pathologies. Hence Mll2 is not required for late development, stem cells or homeostasis in somatic cell types. However it is required in the germ cell lineage. Spermatogenesis was lost upon removal of Mll2, although spermatogonia A persisted. Conclusion These data suggest a bimodal recruit and maintain model whereby Mll2 is required to establish certain epigenetic decisions during differentiation, which are then maintained by redundant mechanisms. We also suggest that these mechanisms relate to the epigenetic maintenance of CpG island promoters.

Am "Max-Planck-Institut für Züchtungsforschung Köln-Vogelsang" wurde Mitte der achtziger Jahre in eine weißblühende Linie von Petunia hybrida Hort. (Vilm.) ein Anthocyansynthese-Gen von Zea mays L. transferiert. Unter den nach diesem Gentransfer entstandenen ziegelrot blühenden Pflanzen befand sich auch ein Typ, der ein Sternmuster in der Blüte zeigt. In der vorliegenden Arbeit konnte diese Musterbildung auf eine chimärische Konstitution zurückgeführt werden: Die Instabilität des A1-Gens in der Petunie resultiert in einen Farbstoffausfall in der alleinig farbstofführenden Epidermis, die von der ersten Scheitelschicht (L1) des Sproßscheitels gebildet wird. Subepidermale Gewebe können als genetisch intakt im Sinne einer potentiellen Fähigkeit zur Farbstoffsynthese charakterisiert werden. Deutlich wird das unter anderem an den partnerinduktiven Wirkungen, die von subepidermalem, L2-bürtigen Gewebe ausgehen und die Anthocyanbildung in der benachbarten, farbstoffdefekten Epidermis veranlaßt. Da die L1 am Kronblattrand alle Gewebe, also auch das Mesophyll bildet, bleiben diese Bereiche weiß gefärbt. Nur im Binnenfeld der Petalen, wo L2-bürtiges, intaktes Gewebe an die Epidermen anschließt, treten diese partnerinduktiven Wirkungen auf. Das Resultat ist ein Sternmuster der aus fünf Petalen zusammengewachsenen Kronröhre. Spontan und nach in-vitro-Kalluskultur entmischen die Pflanzen in ihre einzelnen Komponenten, so daß rot und weiß blühende Typen entstehen, die mit ihrer Blütenfarbe und ihrem Ploidiegrad (unterscheidbar bei Ploidiemarkierung) die jeweilige Scheitelschicht repräsentieren, von der sie abstammen. Bei Kreuzung spaltet die Nachkommenschaft in rot und weiß blühende Pflanzen auf. Aufgrund der Instabilität des transferierten A1-Gens ergibt sich kein Mendelsches Aufspaltungsverhältnis für die Blütenfarbe, wie das dem heterozygotem Zustand entsprechen würde. Auch existieren (wie bei den Entmischungsprodukten) gesprenkelte Blütentypen. Die Instabilität konnte als licht- und temperaturabhängig erkannt werden. Sie ist gleichzeitig der Grund dafür, daß sich an weiß blühenden Kallusregeneraten bzw. Sämlingen, die das A1-Gen in inaktiver Form besitzen, ein Sternmuster jederzeit neu bilden kann. Aufgrund dieses modifikativen Charakters dieser Sternmuster-Chimäre wird der Begriff "Epigenetische Periklinalchimäre" vorgeschlagen. In Sorteneinkreuzungen konnten Instabilitäten bis in die F2-Generation verfolgt werden, möglicherweise übertragen sich die Ursachen der Farbstoffausfälle der transgenen Form auch auf die Farbkomponente des Kreuzungspartners. Weiterhin enthält die Arbeit einen vorläufigen Bestimmungsschlüssel zur generellen Einordnung von Blütenfarbvariation nach ihren Ursachen.

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Wnt/beta-Catenin-Signalgebung hat große Bedeutung für die Initiation und Progression verschiedener Krebsarten. Unser Labor hat kürzlich ein Mausmodell für Squamöse Speicheldrüsen-Karzinome etabliert, das menschliche Hals-Nasen-Ohren-Karzinome reflektiert, durch kombinierte Mutationen von beta-Catenin und dem Bmp-Rezeptor 1a. Diese Tumore enthielten hohen Level von sich selbst-erneuernden Krebs-Stammzellen. Behandlung mit den Wnt-Inhibitoren ICG-001 blockierte die Selbsterneuerung und induzierte die Differenzierung der Krebs-Stammzellen. In den Krebs-Stammzellen der Maus wurde eine globale Aufregulierung des Histonmarkers H3K4me3 beobachtet, was durch Wnt-Inhibition gehemmt werden konnte. Um die molekularen Mechnismen aufzuklären, wurden die Histon-Methyltransferasen für H3K4me3, d.h., Mitglieder der Mll-Proteinfamilie, in sphären-kultivierten Krebs-Stammzellen durch RT-PCR analysiert: Mll1 war hoch transkribiert, zusammen mit den Hoxa9- und Meis1-Zielgenen. Interessanterweise aktivierte die Expression von Mll1 durch Wnt-Signalgebung die distale Enhancer-Region von Mll1, was durch Luciferase-Reporter-Assays gemessen wurde. Immunopräzipitation zeigte weiter, dass Mll1 im beta-Catenin-Transcriptionsfaktor-Komplex involviert ist: shRNA-Behandlung von Mll1 reduzierte die Sphären-Bildung der Speicheldrüsen-Krebs-Stammzellen der Maus. In doppelt-mutanten Mäusen hat die zusätzliche genetische Ablation von Mll1 die Tumorbildung verhindert und die Selbsterneuerung der Krebs-Stammzellen reduziert. Diese Daten zeigen dass die beta-Catenin-Mll1-Achse die Selbsterneuerung der Stammzellen antreibt und deren Differenzierung verhindert, und zwar via epigenetische Mechanismen. Deshalb wird durch das Targeting von Mll1 und dessen Interaktion mit beta-Catenin und andern Komponenten den gesunden epigenetischen Zustand in den Stammzellen wieder herstellt, was eine neue und vielversprechende Möglichkeit für die Behandlung von Patienten mit Hals-Nasen-Ohren-Tumoren darstellt. / Wnt/beta-catenin signaling has been implicated in the initiation and progression of various human cancers. Our lab has recently established a mouse model of salivary gland squamous cell carcinomas (SCCs), which resembles human head and neck cancer, by combined gain- and loss-of-function mutations of beta-catenin and the Bmp receptor 1a (double mutant tumors). These tumors contained highly self-renewing cancer stem cells (CSCs) that were Wnt-dependent. Treatment with the Wnt inhibitor ICG-001 (interferes with beta-catenin-CBP-Mll1 interaction) blocked the self-renewal and induced differentiation of CSCs. In the mouse salivary gland CSCs, a global up-regulation of the histone mark H3K4me3 was observed, which could be suppressed by Wnt inhibition. To study the potential molecular mechanisms, the H3K4me3 histone methyl-transferases, i.e., members of the Mll protein family were analyzed in freshly isolated, sphere-cultured CSCs by RT-PCR: Mll1 was highly transcribed, together with its target genes Hoxa9 and Meis1. Interestingly, the expression of Mll1 was upregulated by Wnt signaling by activating its distal enhancer regions, which was seen with Luciferase reporter assays. Immuno-precipitation further showed that Mll1 is involved in the beta-catenin/Tcf4 transcription factor complex: shRNA treatment against Mll1 reduced sphere formation of mouse salivary gland CSCs. In double mutant mice, additional genetic ablation of Mll1 (triple mutant tumors) abrogated tumor formation and affected the self-renewal ability of CSCs. Collectively, the data presented in this study show that the beta-catenin-Mll1 axis drives self‐renewal and fends off differentiation of CSCs via epigenetic mechanisms. Therefore, targeting Mll1 or its interaction with beta-catenin and other components may help to restore a healthy epigenetic state in the stem cells, which represent a novel and promising therapeutic approach for the treatment of head and neck SCCs.

In dieser Arbeit wurde die funktionelle Rolle und Regulation des murinen Transkriptionsfaktor Foxp3 untersucht. Der erste wesentliche Teil zur Analyse der funktionellen Rolle war dabei die Erzeugung einer BAC- transgenen Maus. Hierfür wurde ein Zielgenvektor mit der kodierenden Region des eYFPs und einer dualen Selektionskassette sowie die Methode des ET- Klonierens verwendet. Leider war die homologe Rekombination des Zielgenvektors in den BAC nicht erfolgreich. Es kam zu einer ungeklärten Rekombination mit Fremd- DNS. Die Erzeugung der transgenen Maus wurde nach diesem Ergebnis eingestellt, und es wurde mit einer von unserem Kooperationspartner zur Verfügung gestellten BAC- transgenen Maus weitergearbeitet. Diese Maus, die DEREG- Maus, wurde nach dem gleichen Prinzip erstellt, wie die in dieser Arbeit gestartete transgene Maus, an Stelle des eYFPs trägt die DEREG- Maus die kodierenden Region des GFPs und des Diphtheria- Toxin- Rezeptors. Mit dieser Maus wurden erste Analysen zur Überprüfung der transgenen Maus unternommen. Es wurde die Koexpression von GFP und Foxp3, sowie die Depletion der Foxp3+ T- Zellen mittels Diphtheria- Toxin analysiert. Als nächstes wurde die funktionelle Rolle des Transkriptionsfaktors Foxp3 analysiert. Als einer der ersten Schritte wurde die Stabilität von Foxp3 in vivo überprüft und gezeigt, dass T- Zellen, die das Foxp3- Protein exprimieren, bis zu 14 Tage in vivo stabil sind. Weiterhin wurde die Stabilität der Foxp3- Expression in in vitro Kulturen nach Induktion durch TGF-beta untersucht. Die induzierten Tregs zeigten keine stabile Foxp3- Expression und auch bei der Methylierungsanalyse der TSDR zeigten diese T- Zellen nicht das für ex vivo isolierte Foxp3+ T- Zellen beschriebene Methylierungsmuster. Die Stabilität scheint mit der Demethylierung der TSDR zu korrelieren. Die induzierten Tregs zeigten neben dem nicht stabilen Foxp3- Phänotyp auch eine von der Foxp3- Expression abhängige Suppression von naiven Zellen im in vitro Proliferations- Test. Im dritten Teil der Arbeit wurde die Struktur und Regulation des Transkriptionsfaktors Foxp3 untersucht. Der Lokus wurde auf konservierte Regionen im Vergleich zu den Spezies Maus, Mensch, Ratte, Huhn, Schimpanse, Hund und Frosch untersucht. Die in Floess*, Freyer* et al. (63) gefundenen Region TSDR enthält einen hochkonservierten Bereich. Die Region wurde auf mögliche Transkriptionsfaktor- Bindungsstellen hin analysiert, und ebenfalls wurden in diesem Bereich Histon- Modifikationen für die Acetylierung der Histone H3 und H4, sowie Tri- Methylierung des Lysin4 des Histons H3 gefunden. Die TSDR wurde in Luciferase- Tests auf ihre transkriptionelle Aktivität hin getestet und zeigte einem Enhancer ähnliche unterstützende Aktivität. Die Methylierung der TSDR in den Luciferase- Tests führte zu einer Reduktion der transkriptionellen Aktivität. Deletionsmutanten der TSDR konnten den Bereich für die transkriptionelle Aktivität weiter einschränken und zeigten ein 275pb großes Fragment auf, in welchem viele interessante, mögliche Transkriptionsfaktor- Bindungsstellen und auch die größte Anzahl der differentiell methylierten CpG- Motive liegen. / The aim of the study was to analyze the function and regulation of the transcription factor Foxp3. In a first step we designed a BAC-transgenic mouse with eYFP under the control of the Foxp3 promoter. For creating these mice we use the ET- cloning method. The step of homologous recombination of the target vector into the BAC failed. Because of that, we decided to work in cooperation with the group of Tim Sparwasser from Munich and their BAC- transgenic mouse called DEREG- mouse. This mouse expresses the coding region of eGFP fused to the diphtheria- toxin- receptor under the control of the Foxp3 promoter. Therefore Foxp3+ T cells can be easily detected by eGFP expression and can even be depleted by diphtheria- toxin- application. We confirmed the co- expression of Foxp3 and eGFP and furthermore tested the functionality of the depletion- process of Foxp3+ T cells by treatment with diphtheria- toxin. In a second study, we analyzed the stability of Foxp3 expressing cells in vivo. Therefore we transferred Foxp3+ T cells in syngenic mice and analyzed these cells after 14 days for their Foxp3- expression. Furthermore, we tested the induction of Foxp3 expression through TGF-beta and the suppressive activity of these cells. We also analyzed those cells for their methylation pattern, comparing cells, which showed an induction of Foxp3- expression after one week of culture with TGF-beta to cells, which received TGF-beta for one week and were then restimulated in the absence of TGF-beta. The stability of Foxp3 expression seems to correlate with the demethylated state of the TSDR (Treg Specific Demethylated Region). To get a closer look on the region called TSDR in the murine foxp3 locus, we decided to analyze this region under different aspects. First, we checked for putative binding sites of transcription factors by database analysis of the TSDR. We also analysed histon modifications, such as acetylation of histon H3 and H4 and tri- methylation of lysine 4 at histon3, in this region. Presence of these modifications hinted an epigenetic regulation of Foxp3 involving the TSDR. In a last step, the transcriptional activity of TSDR was tested to delineate whether the TSDR serves as an alternative promoter or acts as a regulative element like an enhancer. Luciferase assays showed that TSDR is a regulative enhancer element, which loses transcriptional activity when methylated. Deletion mutants determined the most important fragment of the TSDR.

Alveolar macrophages (AMs) are lung tissue-resident macrophages that can be expanded in culture, but it is unknown to what extent culture affects their in vivo identity. Here we show that mouse long-term ex vivo expanded AMs (exAMs) maintained a core AM gene expression program, but showed culture adaptations related to adhesion, metabolism and proliferation. Upon transplantation into the lung, exAMs reacquired full transcriptional and epigenetic AM identity, even after several months in culture and could self-maintain long-term in the alveolar niche. Changes in open chromatin regions observed in culture were fully reversible in transplanted exAMs and resulted in a gene expression profile indistinguishable from resident AMs. Our results indicate that long-term proliferation of AMs in culture did not compromise cellular identity in vivo. The robustness of exAM identity provides new opportunities for mechanistic analysis and highlights the therapeutic potential of exAMs.

AREG und EREG sind Liganden des EGFR, deren Expression mit einem positiven EGFR-zielgerichtetem Therapieansprechen in Darmkrebs korreliert. Ziel dieser Arbeit war es, einen epigenetischen Einfluss auf die AREG und EREG Expression zu klären. Es wurde gezeigt, dass AREG und EREG in verschiedenen kolorektalen Krebszelllinien differenziell exprimiert sind, und dass die Expression beider Gene durch epigenetische Inhibitoren erhöht werden kann. Eine Analyse in fünf Zelllinien zeigte jedoch, dass die Promotoren beider Gene hauptsächlich unmethyliert vorlagen. Hingegen wurden kurze Regionen im Gen als differentiell methyliert identifiziert. Im AREG Gen liegt diese Region im Exon 2, was auf einen ungewöhnlichen Regulationsmechanismus hindeutet. Promotorfunktionsanalysen zeigten dann, dass diese Region eine methylierungs- und orientierungsabhängige Promotorfunktion hat, in die das MDB-Protein CTCF involviert sein könnte. Expressionsanalysen wiesen darauf hin, dass auch ZBTB33, ein anderes MDB-Protein, in die AREG Regulation involviert sein könnte. Die ZBTB33 Expression korrelierte negativ mit der AREG Expression in den Zelllinien. Eine ZBTB33-Bindungsstelle konnte ausserdem bioinformatorisch im AREG Exon 2 identifiziert werden. Des weiteren wurde gezeigt, dass die Behandlung der Zelllinie LIM1215 mit HDAC Inhibitoren in vitro zu einer Erhöhung der Sensitivität gegenüber EGFR-zielgerichteten Medikamenten führt, begleitet von einer Erhöhung der AREG und EREG Expression. Im in vivo Versuch konnte die Sensitivität von LIM1215 Zellen durch die Behandlung mit DNMT Inhibitoren erhöht werden. Begleitet wurde dies hier mit einer Verringerung der Methylierung der AREG und EREG intragenischen CpGs. Diese Ergebnisse zeigen auf, dass Patienten, die resistent gegenüber EGFR-zielgerichteten Therapien sind, möglicherweise sensitiv gemacht werden können. In dem Fall könnten AREG und EREG als prädiktive Marker eingesetzt werden, um den Effekt der epigenetischen Inhibitoren zu evaluieren. / AREG and EREG are ligands of the EGFR whose expression correlates with a positive EGFR-targeted therapy response in colorectal cancer. Aim of this work was to define the influence of epigenetic mechanisms on AREG and EREG gene expression. It could be shown that AREG and EREG are differentially expressed in a set of colorectal cancer cell lines and that the expression of both genes increases after treatment with epigenetically interfering compounds such as DNMT inhibitors and HDAC inhibitors. Methylation analysis showed that the promoters of both genes were mainly unmethylated. Nevertheless, short intragenic regions were identified to be differentially methylated. For AREG, this region is located within exon 2, indicating an uncommon epigenetic regulatory mechanism. Promoter function analyses showed that the AREG exon 2 region harbor methylation- and orientation dependent promoter function and they suggested CTCF, an MDB-protein, to be involved in this mechanism. Expression analysis experiments suggested also ZBTB33, another MDB-protein, to be involved in AREG regulation. ZBTB33 was differentially expressed in the cells and it correlated inversely with the AREG expression. Additionally, bioinformatic analyses identified a ZBTB33 binding site within AREG exon 2. It was also shown in this work that LIM1215 cells treated with HDACis were more sensitive towards EGFR inhibitors in vitro. This effect was accompanied by an increased AREG and EREG expression. In vivo, an increased sensitivity towards EGFR inhibitors was achieved in LIM1215 cells by treatment with a DNMT inhibitor. Here the effect was accompanied by a reduced methylation within the AREG and EREG intragenic CpGs. Together, the results suggested a new possibility to potentially make EGFR-targeted therapy resistant patients suitable for this therapy by epigenetic compound treatment. In that case AREG as well as EREG might be predictive markers to evaluate the effect of the epigenetic compounds during therapy.

Cytokine steuern die Kommunikation von verschiedenen Zelltypen untereinander und regulieren deren Überleben, Differenzierung und Wachstum. Kommt es zu einer Deregulation der Expression von Cytokinen oder deren Rezeptoren, kann es zu autoimmunen oder malignen Erkrankungen kommen. Ein besonderes Beispiel der aberranten Cytokinexpression ist das klassische Hodgkin Lymphom. Die malignen Hodgkin/Reed-Sternberg (HRS) Zellen des Hodgkin Lymphoms stammen ursprünglich aus Keimzentrums B-Zellen ab, haben aber ihren B-Zell Phänotyp verloren. Des Weiteren exprimieren sie eine Vielzahl von verschiedenen Cytokinen und Cytokinrezeptoren, die ursprünglich nicht in einem Genexpressionsprogramm von B-Zellen vorkommen. In dieser Arbeit wurden zwei dieser Cytokin-Rezeptorsysteme (IL-21/IL-21R und CSF-1/CSF1R) hinsichtlich ihrer Funktionen für die HRS Zellen des Hodgkin Lymphoms charakterisiert. Die Expression des T-Zell assoziierten Cytokins IL-21 konnte in dieser Arbeit erstmals in HRS Zellen nachgewiesen werden. Für die Expression des myeloiden CSF1R zeigen Ergebnisse dieser Arbeit eine neuartige Regulation durch ein Long Terminal Repeat (LTR) Element, welche zu einem bis dahin unbekannten mRNA Transkript des Protoonkogens CSF1R in den HRS Zellen führt. Sowohl für IL-21 als auch für CSF1R konnte in der Doktorarbeit die Expression und Funktionalität des jeweilig korrespondierenden Rezeptors (IL-21R) bzw. Cytokins (CSF-1) nachgewiesen werden. Die Bedeutung dieser B-Zell fremden Gene für die HRS Zellen lag hauptsächlich in der Stimulation von Wachstum und Überleben und der Induktion von wichtigen Signalwegen (z.B. STAT3). Die Ergebnisse der Dissertation können als Ausgangspunkt für neue Strategien in der Diagnostik und der spezifischeren Therapie von Hodgkin Lymphom Patienten dienen. Der außergewöhnliche Mechanismus der Genregulation des CSF1R Gens über ein endogenes LTR Element kann in anderen Tumorentitäten ebenfalls ein Grund für die Aktivierung von Onkogenen sein. / Cytokines in the human body are responsible for cell-cell communication and regulate survival, differentiation and proliferation of different cell types. Deregulation of expression levels of cytokines might contribute to autoimmune diseases or tumor growth. One of the most prominent examples of aberrant cytokine expression is the classical Hodgkin Lymphoma. The malign Hodgkin/Reed-Sternberg (HRS) cells of classical Hodgkin Lymphoma are derived from germinal centre B cells, however they lost their B cell-specific phenotype. Moreover they express a huge variety of cytokines and cytokine receptors, normally not expressed in B cells. Two of these cytokine-receptor systems (IL-21/IL-21R and CSF-1/CSF1R) and their expression and function in HRS cells are subject of this dissertation. The expression of the T cell-associated cytokine IL-21 has been shown for the first time in HRS cells. The results for the myeloid-specific proto-oncogene CSF1R identified a unique, so far unknown mRNA transcript, expressed due to activation of a long terminal repeat (LTR) element. For both, IL-21 and CSF1R, the expression and functionality of the corresponding receptor (IL-21R) or cytokine (CSF-1), respectively, was demonstrated in this dissertation. Protection from apoptosis, proliferation and stimulation of several pathways are the main functional consequences of auto- and paracrine stimulation of HRS cells with either IL-21 or CSF-1. These results might lead to new diagnostic and more specific treatment strategies for Hodgkin Lymphoma patients. Regarding the unusual expression of CSF1R via LTR activation this mechanism might also be the reason for oncogene activation in several other tumor entities.