Die rheumatoide Arthritis (RA) ist eine Autoimmunerkrankung, die durch anhaltende Gelenksentzündungen gekennzeichnet ist und mit einer fortschreitenden Degradierung des Knorpels und Knochen einhergeht. Ungefähr 2 % der erwachsenen Bevölkerung weltweit sind betroffen und leiden unter erheblichen Gelenkschmerzen und Beeinträchtigungen. Der intraartikuläre Transfer anti-entzündlicher Gene (z.B. des Interleukin-1 Rezeptorantagonisten – IL1RA) zeigte signifikante Bedeutung in präklinischen und Phase-I klinischen Studien der RA Therapie. Die meisten dieser Studien verwendeten MLV-basierte orthoretrovirale Vektoren für eine stabile Transgenexpression, tragen aber das Risiko der Insertionsmutagenese. Wir haben foamyvirale Vektoren (FVV) etabliert, welche von apathogenen Elternviren abgeleitet sind und sich durch ein breites Wirtsspektrum und ein vorteilhaftes Integrationsmuster ins zelluläre Genom auszeichnen. In dieser Arbeit wurden IL1RA exprimierende prototypische foamyvirale Vektoren (PFV) generiert, deren chondroprotektives Potential in vitro und in einem indirekten Gentransferansatz in Kniegelenken von Wistar und athymischen Nacktratten in vivo evaluiert wurde. PFV Vektoren mit der kodierenden Sequenz für den humanen IL1RA, einer internen ribosomalen Eintrittsstelle (IRES) und EGFP wurden generiert und mit Verwendung eines Vier-Plasmidsystem, bestehend aus dem Vektorplasmid (IL1RA-IRES-EGFP) und den Expressionsplasmiden FV-gag, FV-pol und FV-env in 293T Zellen produziert. Ebenso wurden Kontrollvektoren welche nur EGFP exprimieren generiert. Transduktionsexperimente wurden mit primären humanen mesenchymalen Stammzellen (MSZ) aus Knochenmarkaspiraten, der Tert-4 mesenchymalen Stammzelllinie, HT1080 Fibroblasten und primären Ratten Synovialfibroblasten durchgeführt. Die Transgenexpression wurde mittels Fluoreszenzmikroskopie (EGFP), ELISA (IL1RA) und quantitativer Real-Time PCR (IL1RA) evaluiert. Die Funktionalität des IL1RA-Proteins wurde mit einem Prostaglandin E2 (PGE2) Assay gezeigt. Dazu wurden FV.IL1RA transduzierte Tert-4 Zellen und unbehandelte Zellen mit 10 ng/ml IL1 inkubiert. Als readout für die IL1-Stimulation dienten die PGE2 Mengen in den konditionierten Medien. Die Zellkulturüberstände wurden 48 h nach IL1-Gabe auf ihren PGE2 und IL1RA Gehalt hin untersucht. Die PGE2 Menge war dabei, im Vergleich zu den unbehandelten Kontrollen, in den FV.IL1RA transduzierten Zellen signifikant erniedrigt. Nach der Transplantation von foamyviral transduzierten Synovialfibroblasten in Kniegelenke von Wistar und athymischen Nacktratten, war die intraartikuläre (i.a.) Transgenexpression in den Wistar Ratten zunächst hoch, fiel jedoch nach ungefähr 3 Wochen ab. Im Gegensatz dazu war die foamyviral vermittelte IL1RA-Expression in den immundefizienten Ratten für 12 Wochen auf sehr hohen Leveln stabil. Ein Maximum wurde an Tag 10 nach i.a. Transplantation mit ca. 450 ng pro Gelenk erreicht. Untersuchungen zur Biodistribution zeigten keine extraartikuläre Transgenexpression in allen untersuchten Organen (Gehirn, Herz, Lunge, Leber, Niere, Milz, Gonaden und Serum). Diese Resultate, zusammen mit dem Ausbleiben von sekundären Erkrankungen, wie bspw. Tumoren, in allen behandelten Tieren, sprechen für die Sicherheit des Ansatzes. Die Arbeit zeigt, dass FVV verwendet werden können, um primäre Synovialfibroblasten und MSZ effizient mit Markergenen und dem anti-entzündlichen IL1RA Transgen zu transduzieren. Die dabei erzielten Transgenlevel sind in der Lage, die Effekte von hochdosiertem IL1 zu blockieren. Die Ergebnisse sprechen dafür, dass FVV sehr effiziente Werkzeuge für den ex vivo Gentransfer sind und unterstreichen ihr großes Potential für die Bereitstellung anti-entzündlicher Transgene in primären Zellen und Geweben. Zukünftig soll diese Technologie in Tiermodellen der Arthritis angewendet werden. Das Fernziel der Arbeiten besteht in der Etablierung und Evaluierung eines Gentransfersystems, welches die in vivo Applikation am Menschen erlaubt. / Rheuamtoid arthritis (RA) is an autoimmune disease with persistent joint inflammation that results in progressive degradation of cartilage and bone. Approximately 2 % of the adult population worldwide are estimated to be affected by RA and suffer from substantial joint pain and disability. The intra-articular transfer of anti-inflammatory genes (e.g. interleukin receptor antagonist protein – IL1RA) showed significant impact in preclinical and early phase clinical trials for RA therapy. Most of these studies used MLV-based orthoretroviral vectors for stable transgene expression, but carry the risk of insertional mutagenesis. We have established foamyviral vectors (FVV) that are derived from apathogenic parent viruses and are characterized by a broad host range and a favourable integration pattern into the cellular genome. Here we used prototype foamyvirus vectors (PFV) that expressed IL1RA and evaluated their protective effects in vitro and in an indirect gene transfer approach in knee joints of Wistar and athymic nude rats in vivo. PFV vectors carrying the coding sequence of the human IL1RA gene, along with EGFP (enhanced green fluorescent protein) linked via an internal ribosomal entry site (IRES), were generated and produced by using a four-plasmid system consisting of the vector plasmid (IL1RA-IRES-EGFP) and the expression plasmids FV-gag, FV-pol and FV-env in 293T cells. Control vectors were also generated that expressed EGFP only. Transduction experiments were performed with different cells including human primary mesenchymal stem cells (MSC) derived from bone marrow-aspirates, the Tert-4 mesenchymal stem cell line, the HT1080 fibroblast cell line and primary rat synovial fibroblasts. The transgene expression was evaluated by fluorescence microscopy (EGFP), flow cytometry (EGFP), ELISA (IL1RA) and realtime polymerase chain reaction (PCR) (IL1RA). Functionality of the IL1RA protein was shown by using a Prostaglandin E2 (PGE2) Assay. For this, FV.IL1RA transduced Tert-4 cells and untreated Tert-4 cells were incubated with 10 ng/ml IL1. As a readout for the IL1 stimulation, levels of PGE2 in conditioned media were determined. Cell culture supernatants were assayed 48 hours later for their PGE2 and IL1RA levels. The PGE2 levels were statistically significantly lower in the FV.IL1RA transduced cells in comparison to untreated controls. After the transplantation of foamyviral-transduced synovial fibroblasts in knee joints of Wistar and athymic nude rats, the intra-articular transgene expression in Wistar rats was initially high and declined after approximately 3 weeks. In contrast, foamyviral-mediated expression of human IL1RA was found to persist for at least 12 weeks at very high levels in immunocompromised rats, with a maximun value of approximately 450 ng human IL1RA per joint at day 10 after intra-articular transplantation. Biodistribution experiments were also performed and revealed the absence of extra-articular transgene expression in all organs analyzed (brain, heart, lung, liver, kidney, spleen, gonad and serum). This finding, along with the nonappearance of secondary disorders such as tumors in all animals treated, argue for the safety of the approach. Here we show that FV vectors can be used to efficiently transduce primary synovial fibroblasts as well as primary MSCs with marker genes as well as the anti-inflammatory IL1RA transgene at levels that were functional to block the effects of high doses of IL1. The results indicate that FV vectors are very efficient tools for ex vivo gene transfer and underscore their high value for delivering antiinflammatory transgenes to primary cells and tissues. In future experiments we aim to apply this technology in animal models of disease. The ultimate goal of this research is the establishment and evaluation of a gene transfer system that allows the application in humans.

Das Hauptziel der medizinischen Genetik ist es, die Ursachen für genetisch hervorgerufene Krankheiten zu finden, um eine bessere Behandlung der Patienten zu gewährleisten, sei es um die Medikamente auf den Metabolismus des Individuums anzupassen oder natürlich dazu, um die Krankheit selbst zu behandeln und in Zukunft auch heilen zu können. Um dieses Ziel zu erreichen werden immer neue Technologien entwickelt, die mit Hilfe von bereits etablierten Methoden auf ihre Eignung hin überprüft werden müssen. Eine der neuesten Entwicklungen stellt die Array-Technologie dar. In dieser Studie wurde versucht zu überprüfen, inwieweit diese neue Methode zur Analyse von einzelnen bis wenigen Patienten mit bestimmten Syndromen geeignet ist. Dafür wurden mehrere Patienten mir sehr unterschiedlichen Phänotypen ausgesucht, die verschiedene Ursachen und Entstehungsmechanismen der genetischen und phänotypischen Veränderung vermuten ließen. Die erste hier dargestellte Publikation beschreibt einen Fall mit einer einseitigen Schalleitungsschwerhörigkeit, der mit einer Translokation der(18)t(18;22) mit der involvierten Deletion 22pter→q11.21, sowie den darin enthaltenden Genen der CES-Region, erklärt wurde. Der in der zweiten Publikation beschriebene Fall mit MR und Verhaltensauffälligkeiten wurde mit einer intragenischen Mikrodeletion im Gen IL1RAPL1 korreliert. Zwei Fälle autoimmunbedingten Leberversagens bei einem Phelan-McDermid Syndrom wurden in der dritten Publikation primär auf eine Deletion des Gens PIM3 zurückgeführt. Ein autistischer Junge mit einer Entwicklungsverzögerung und gewalttätigen Ausbrüchen zeigte in der vierten Publikation ein sehr komplexes Rearrangement mit mehreren Brüchen im Gen CNTNAP2 und Deletionen anderer Gene, die zusammen für den Phänotyp verantwortlich sein können. Keine Mikrodeletion, sondern eine Epimutation in Chromosom 14q32.2 war die Ursache für die Adipositas mit einer Sprachentwicklungsverzögerung bei einem Jungen, der in der fünften Publikation beschrieben ist. Um die o. g. genetischen Veränderungen zu finden, wurden verschiedene Methoden wie die GTG-Bänderung, FISH, MLPA und verschiedene Array-Systeme verwendet. Mit jeder von diesen Methoden konnten neue und einander ergänzende Daten zu den genetischen Veränderungen eines Individuums gewonnen werden. Keine der Methoden konnte für sich allein ein vollständiges Bild liefern. Die GTG-Bänderung zeigt zwar das ganze Genom, hat aber die Limitierung der niedrigen Auflösung. Sie konnte dennoch Anhaltspunkte für höherauflösende Untersuchungsmethoden geben. Dazu gehörte die FISH, die entweder zur feineren Auflösung der Bänderungsdaten oder zur Bestätigung von Array-Befunden verwendet wurde. Die MLPA wurde unterstützend auf der Suche nach sehr kleinen Veränderungen in eingegrenzten Regionen eingesetzt. In einigen der beschriebenen Fälle wurden trotz eines negativen Bänderungsbefundes aufgrund des auffälligen Phänotyps genetische Ursachen vermutet, und daher feiner auflösende Methoden eingesetzt. Die am höchsten auflösenden Array-basierten Methoden wurden eingesetzt, wenn ansonsten keine Ergebnisse zu erzielen waren, oder eine feinere Auflösung der vorhandenen Daten erreicht werden sollte. Anschließend konnten die Erkenntnisse über die Veränderungen mit dem Phänotyp korreliert werden, um ein Kandidatengen oder eine Kandidatengenregion zu ermitteln. Aufgrund der großen Datenmenge aus den Array-Experimenten, waren zur Entscheidung über die Relevanz der Daten bezüglich der Entstehung des Phänotyps umfassende Datenbank- und Literatur-Recherchen notwendig. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die Array-Technologie einen großen Fortschritt darstellt, in der Suche nach Ursachen für genetische Erkrankungen. Sie hat aber technische Limitierungen und um das Problem der Phänotyp-Genotyp-Korrelation zu vereinfachen, werden weltweit noch viele Daten gesammelt werden müssen. Das ist eine Frage der Zeit und der Weiterentwicklung geeigneter Technologien. / The major aim of medical genetics is to find the reasons for genetic diseases, to ensure better treatment of patients, for example to better adapt medication to the patient’s metabolism or to treat and in the future also to cure the illness. To reach this goal new technologies are developed, which have to be tested for their applicability by already established methods. One of the newest developments is constituted by the array-technology. In this study it has been tried to find out to which extent this new method is suited for testing individual or few patients with certain syndromes. To do that several patients have been chosen with very different phenotypes, for which different mechanisms underlying the genetic and phenotypic changes were presumed. The first paper presented here describes a case with unilateral conductive hearing loss, which was explained by the translocation der(18)t(18;22) including the deletion of the region 22pter→q11.21 and the genes of the CES region. The case with MR and behavioral abnormalities described in the second paper was associated with an intragenic deletion of IL1RAPL1. Two cases of hepatic failure caused by an autoimmune reaction in patients with the Phelan-McDermid syndrome were explained by the deletion of PIM3 in the third paper. In the fourth paper an autistic boy with a developmental delay and violent outbursts had a very complex rearrangement containing many breaking points in CNTNAP2 and deletion of other genes, which altogether explain the phenotype. Not a microdeletion, but an epimutation in 14q32.2 was the cause for the obesity with a speech delay in a boy described in the fifth paper. Different methods were used to find the above mentioned genetic changes, i.e. GTG-banding, FISH, MLPA and several array-systems. Each of these methods revealed new and complementing data about the genetic changes of an individual. None of the methods alone could provide a complete picture. GTG-banding shows the entire genome, but has the limitation of a low resolution. This banding method provided candidate regions for further investigations with higher resolving methods. FISH was used for this cause or to confirm array data. MLPA was used to search for very small changes in specific regions. In some of the described cases with negative findings in the GTG-banding but a noticeable phenotype, genetic cause was assumed and higher resolving methods were used. The method with the highest resolution were the array-based technologies, which were used as screening method if no information could be obtained by any other method. Finally, the findings on the genetic changes were correlated with the phenotype to determine the candidate gene or a candidate gene region. Due to the large amount of data obtained from the array-experiments, the correlation required a decision about the relevance of the data for the development of the phenotype based on thorough database research. Collectively, it can be said that the array-technology is a useful technique for searching for reasons of genetic diseases. But it has its technical limitations. To facilitate the problem of the phenotype-genotype-correlation, data has to be accumulated worldwide. It is a question of time and further development of adequate technologies.

Aufgrund ihrer Charakteristika stellen die Lentiviren besonders gut geeignete Vektoren für den Gentransfer in eukaryotische Zellen dar. Lentivirale Vektoren sind in der Lage ruhende und sich nicht teilende Zellen zu infizieren und ihr genetisches Material in das Zielzellgenom zu integrieren. Dies führt zu einer stabilen Expression des Zielgens in den infizierten Zellen und deren Tochterzellen. In den vergangenen Jahren wurden eine Reihe replikationsinkompetenter lentiviraler Vektoren für verschiedene Studien, meist für gentherapeutische Ansätze, hergestellt. Replikationsinkompetente Vektoren sind in der Lage Zielzellen einmalig zu infizieren, können aber in den Zielzellen nicht weiter replizieren. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein auf HIV-1 basierendes replikationsinkompetentes Vektorsystem etabliert. Mit Hilfe des replikationsinkompetenten Vektorsystems wurde eine rasch durchführbare phänotypische Resistenztestung etabliert, welche für die Messung der Sensitivität von HIV gegen antivirale Inhibitoren geeignet ist. Die Transduktionseffizienz wurde durch den Einbau eines Markergens in das Vektorsystem untersucht. Es wurde nachgewiesen, dass mit dem Vektorsystem Zielzellen mit hoher Effizienz transduziert werden können. Inhibitoren gegen die virale Protease, Reverse Transkriptase und Integrase waren in der Lage die Transduktion auf konzentrationsabhängige Weise zu reduzieren. In das Vektorsystem konnten PR- und RT-Sequenzen sowohl von viralen Isolaten als auch von Patienten eingesetzt werden und deren Sensitivität bzw. Resistenz gegen die zur Zeit zur Verfügung stehenden Medikamente konnten nachgewiesen werden. Da das hergestellte Vektorsystem den wichtigen Sicherheitsmaßnahmen entspricht, stellt dieses eine sichere Alternative zur Testung der Wirksamkeit von antiviralen Substanzen bei HIV-infizierten Patienten dar. Unter Verwendung des replikationsinkompetenten Vektorsystems konnte die Testung unter biologischer Sicherheitstufe 2 innerhalb von zwei Wochen ausgeführt werden. Damit wurden die bislang zur Verfügung stehenden phänotypischen Resistenztestungen deutlich verbessert. In dieser Arbeit wurde außerdem untersucht, ob das Foamyvirus (FV) Hüllprotein (Env) in der Lage ist, lentivirale Partikel zu pseudotypisieren und welche Bereiche des Hüllproteins für die Pseudotypisierung notwendig sind. Es wurde festgestellt, dass HIV-Kapside mit dem Hüllprotein des Felinen Foamyvirus (FFV) mit sehr hoher Effizienz pseudotypisiert werden können. Das Hüllprotein der Primaten Foamyviren konnte die Pseudotypisierung von lentiviralen Partikel nicht unterstützen. Mit Hilfe verschiedener Mutanten wurde gezeigt, dass bei der Pseudotypisierung das Signalpeptid (SP) eine wichtige Rolle spielt. Die Unterschiede in der Effizienz der Pseudotypisierung zwischen Hüllproteinen von FV verschiedener Spezies wurden primär durch das jeweilige SP bedingt. Aufgrund seines breiten Wirtsspektrum und der Konzentrierbarkeit bietet das FFV-Env eine attraktive Alternative zu herkömmlich verwendeten Hüllproteinen bei der Produktion und Anwendung von HIV-Vektoren. / Vectors based on lentiviruses are highly efficient vehicles for gene transfer approaches. The principle advantages of lentiviral vectors include the infection of nondividing cells, integration into the host cell genome, high level of gene expression and transmission to all the progeny of the infected cell. Within the last years many replication-defective lentiviral vectors have been developed. Replication-defective vectors infect cells, but can not replicate after infection. In the course of these studies a self-inactivating replication-defective vector system derived from the human immunodeficiency virus type-1 (HIV-1) with enhanced biosafety features was constructed. The vector system was used to develop a rapid and easy phenotypic drug resistance assay to detect and measure emerging resistance of HIV against antiviral drugs. The vector system contains a reporter gene for rapid quantification of transduced target cells. The vector proved highly efficient for transducing target cells. Reporter gene transduction could be inhibited with nucleoside and non-nucleoside reverse transcriptase (RT) inhibitors, integrase (IN) and protease (PR) inhibitors in a dose dependent manner. Protease (PR) and reverse transcriptase (RT) gene coding sequences derived either from proviral isolates or from HIV-infected patients could be inserted into this vector system. Both sensitivity and resistance against currently used antiviral drugs could be detected. Due to the biosafety features of the vector system this novel drug resistance assay represents a rapid and easy method without the need for propagation of infectious virus. In the course of these studies was also studied whether capsids of the HIV-1 can be pseudotyped with wild-type and chimeric foamy virus (FV) envelope proteins from virus isolates derived from different species. Further, it was analysed which domains of the FV envelope play a role in pseudotyping HIV capsids. HIV capsids could be efficiently pseudotyped with feline foamy virus (FFV) envelope protein. The primate foamy virus envelope was not able to support the export of lentiviral capsides. The experiments with the chimeric mutants revealed that the signal peptid plays a key role in pseudotyping. Due to the unique properties of the FFV envelope, including the broad host range and the ability to tolerate concentration of viral particles by ultracentrifugation, pseudotyping of HIV capsids with this envelope might provide a useful tool for future gene transfer approaches.

In dieser Arbeit wurde zum einen die Penetration von Foamyviren (FV) unter besonderer Berücksichtung des FV Hüllglykoproteins (Env) untersucht, zum anderen wurden Adenovirus-Foamyvirus (Ad-FV) Hybridvektoren zur Kombination der Vorteile beider Vektorsysteme konstruiert und analysiert. Das Ziel war die Herstellung von Ad-FV Vektoren mit hohen Titern, die stabil in das Genom des Wirts integrieren. Über die Penetration von FV ist bisher wenig bekannt. Umhüllte Viren können entweder durch direkte Fusion der viralen Hülle mit der Zellmembran oder durch rezep-torvermittelte Endocytose, oft mit einem pH-abhängigen Fusionsschritt der viralen Membran mit der Membran intrazellulärer Kompartimente, in Zielzellen gelangen. In dieser Studie wurde die Abhängigkeit der FV Env vermittelten Infektion verschie-dener FV Spezies von lysosomotropen Agenzien mit MuLV oder Prototyp FV (PFV) Pseudotypen analysiert. Ähnlich wie bei Vesikuläres Stomatitis Virus Glykoprotein (VSV-G) Pseudotypen wurde die FV Env vermittelte Infektion von fast allen Agen-zien, die den endosomalen pH anheben, inhibiert. Allerdings hatte Chloroquin keine inhibitorische Wirkung auf die FV Env vermittelte Infektion im Gegensatz zu der VSV-G katalysierten, was auf einen unter-schiedlichen Penetrationsmechanismus schließen lässt. Eine Analyse der pH-Abhängigkeit der FV Env Fusionsaktivität in einem Zell-Fusionsassay zeigte eine Induktion der Fusionsaktivität mit einer maximalen Stärke bei pH 5,5. Nur bei PFV Env wurde eine basale Fusionsaktivität bei neutralem pH detektiert. Die relativ schnelle Induktion der Fusionsaktivität in saurem Milieu weist auf eine Konformationsänderung des Hüllglykoproteins zur Transformation in einen fusionsaktiven Status hin. Aufgrund dieser Daten kann man von einem endocytotischen, pH-abhängigen Penetrationsmechanismus von FV ausgehen. Zur Kombination der Vorteile von Adenoviren und FV wurde ein Ad-FV Hybridvektorsystem konstruiert um eine effizientes Werkzeug zum stabilen Gentransfer zu schaffen. Das System besteht aus adenoviralen Hochkapazitäts- (HC-Ad) Vektoren auf Adenovirus 5 Basis, die eine selbst-inaktivierende PFV Vektor Kassette unter Kontrolle eines humanen Cytomegalovirus- (hCMV) Promotors oder des reversen Tet Transaktivator Systems (Tet) enthalten. In alle Vektoren ist eine Verstärktes Grün Fluoreszierendes Protein (EGFP) Expressionskassette als Markergen integriert. Es wurden sowohl FV Vektoren, die nach der Primärinfektion über einen intrazellulären Transduktionsmechanismus stabil integrieren, als auch solche, die über einen Se-kundärzyklus mit Hilfe extrazellulärer Partikel stabil transduzieren können, hergestellt. Die Ad-FV Vektoren konnten mit zu herkömmlichen HC-Ad Vektoren vergleich-baren Titern bis zu 1010 iU/ml produziert werden. In Ad-FV infizierten Zellen war die erwartete FV Proteinexpression und ihre Induzierbarkeit bei Ad-FVTet Vektoren nachweisbar. Mit diesen Vektorsystemen infizierte Zellen zeigten eine signifikant höhere persistierende Transgenexpression im Vergleich zu mit HC-Ad oder Kontroll- Ad-FV Vektoren ohne ein funktionales FV pol ORF infizierten Zellen. Eine Southern Blot Analyse von Ad-FVTet infizierten Einzelzellklonen mit persistierender EGFP Expression belegte eine stabile Integration der FV Vektor Kassette. In dieser Arbeit konnten Ad-FV Vektoren mit hohem Titer hergestellt werden, die eine, auch im Vergleich mit bisher publizierten Ad-Retrovirus Systemen, stark erhöhte Effizienz des persistenten Transgentransfers durch stabile Integration zeigten. / In this study, both, the analysis of the penetration mechanism of Foamy Viruses (FV), focusing on the FV envelope glycoprotein (Env), and the construction and analysis of Adenovirus (Ad)-FV hybrid vectors for efficient prolonged transgene expression, was addressed. Little is known about the uptake of foamy viruses, a subfamily of retroviruses, into target cells. In general enveloped viruses use two different entry strategies, an endocytotic entry pathway, mostly involving a pH-dependent fusion process, and a pH-independent fusion process at the cell membrane. In this study, we examined the pH dependence of FV entry by analyzing FV Env mediated infectivity of target cells in the presence of weak bases, vacuolar ATPase inhibitors and carboxylic ionophores using Murine Leukemia Virus (MuLV) or FV vector pseudotypes. Similiar to Vesicular Stomatitis Virus glycoprotein G (VSV-G) mediated uptake, FV Env mediated entry was inhibited by most agents used. However, in contrast to VSV-G pseudotypes, chloroquine failed to reduce the infectivity of FV Env pseudotypes, implying that the pathway is different from that of VSV-G. Various glycoproteins from other FV species showed a similiar inhibition pattern as the prototype FV (PFV). Analysis of the pH-dependence of the FV mediated fusion process in a cell-to-cell fusion assay revealed an induction of syncitia formation by a short exposure to acidic pH, peaking around pH 5.5. The very short time period of exposure to low pH neccessary for the induction of fusion activity implies a conformational change of FV Env at low pH to transform to a fusogenic state. Interestingly, of all FV Env species analyzed only the PFV Env had a significant fusion activity a neutral pH. Taken together, these data suggest a pH-dependent endocytotic pathway of infection of target cells by FV. In this work, an adenoviral/foamyviral (Ad-FV) hybrid vector system was developed to exploit the favourable features of the two parental viral species for efficient and stable gene transfer. The system consists of high capacity (HC-Ad) Adenovirus 5 vectors containing self-inactivating PFV vector cassettes under control of a human cytomegalovirus- (hCMV) promotor or the reverse Tet transactivator system (Tet). The PFV Enhanced Green Fluorescent Protein (EGFP) transfer vectors encoded by this vector cassettes could either transduce target cells by an intracellular retrotransposition step or by an additional secondary cycle with extracellular paticles. The Ad-FV vectors could be produced with titers up to 1010 iU/ml, comparable to conventional Ad vectors. We were able to demonstrate the predicted pattern of PFV protein expression in Ad-FV vector infected cells and the induction of PFV protein expression in Ad-FVTet infected cells. Long-term analysis of cells infected by the chimeric vec-tors showed a significantly higher amount of persistent transgene expressing cells when compared to cells infected by a control vector containing a non-functional FV pol ORF or by a conventional HC-Ad vector. Southern blot analysis of persistently transgene expressing cells indicated stable integration of the PFV vector genome in cells infected by Ad-FVTet vectors. In summary, our results demonstrate the production of high titer Ad-FV hybrid vectors mediating, even compared to other published Ad-Retrovirus systems, prolonged transgene expression by stable integration.

Das Ziel dieser Arbeit war die Klärung der phänotypischen Konsequenzen struktureller Variationen in den regulatorischen Regionen einiger für psychische Erkrankungen potentiell relevanter Entwicklungsgene. Die Pax-Gene sind Mitglieder einer Familie der Transkriptionsfaktoren, die sowohl mehrere Schritte in der Embryogenese als auch Aufrechterhaltung des Differenzierungszustandes der Zellen einiger adulten Gewebe kontrollieren. Im Rahmen dieser Fragestellung wurden die Promotorregionen der menschlichen PAX3-, PAX6- und PAX7-Gene charakterisiert. Weiterhin wurden funktionelle Folgen der mit diesen Promotoren assoziierten Repeat-Polymorphismen auf die Expression dieser Gene untersucht. Schliesslich wurde die Relevanz für die psychischen Erkrankungen wie die Schizophrenie getestet. / The aim of this study was the elucidation of phenotypical consequences of structural variations in regulatory regions of developmental genes that are potentially relevant for mental disease. The Pax genes are members of a family of evolutionary conserved transcription factors, which control several steps in the embryogenesis as well as maintain the differentiation status of cells in adult tissues. In this context the promoter regions of the human PAX3, PAX6 and PAX7 genes were characterized. Therefore, functional effects of the polymorphic repetitive elements in the gene promoter regions on the expression of these genes were examined. Finally, the relevance for the psychiatric diseases like schizophrenia was tested.

Bisher sind zwei Isoformen des humanen CD23 (CD23a und CD23b) beschrieben. Beide unterscheiden sich lediglich in 6-7 Resten im N-terminalen, zytoplasmatischen Anteil. CD23a wird ausschließlich auf B-Zellen exprimiert, während CD23b sowohl auf B-Zellen als auch auf Monozyten, eosinophilen Granulozyten, Makrophagen und zahlreichen anderen Zelltypen durch Stimulation mit IL-4 induziert werden kann. Die beiden Isoformen vermitteln wahrscheinlich unterschiedliche Funktionen. CD23a gilt als Isoform, welche vornehmlich mit der Endozytose von IgE-Immunkomplexen und der Vermittlung von Antigen-Präsentation auf B-Zellen assoziiert ist. CD23b besitzt ein Phagozytose-Motiv und scheint bei der Phagozytose IgE besetzter Partikel, der Freisetzung von Zytokinen und der Bildung von Peroxiden eine Rolle zu spielen. Frühere Untersuchungen legen die Vermutung nahe, dass die beiden Isoformen zwei getrennte Signalübertragungswege miteinander verbinden. Die Gegenüberstellung von Ereignissen, welche in Zellen, die nur eine einer oder beide Isoformen von CD23 besitzen, stattfinden, legt die Vermutung nahe, dass CD23b cAMP und iNOS hochreguliert, wohingegen CD23a einen Anstieg des intrazellulären Kalziums vermittelt. Im ersten Teil unserer Untersuchungen haben wir die Regulation der B-Zell-spezifischen Expression von CD23a analysiert. Pax-5 ist ein auf B-Zellen beschränkter Transkriptionsfaktor, welcher für die frühe und späte B-Zellentwicklung von entscheidender Bedeutung ist. Mögliche Pax-5 Bindungsstellen wurden in den proximalen Abschnitten des CD23a Promotors vermutet. Die Analyse des CD23a Promotors ergab drei mutmaßliche Pax-5 Bindungsstellen mit mehr als 50% Homologie zur Konsensus-Sequenz. Eine dieser Bindungsstellen, namens CD23-1, kann mit einer hochaffinen Pax-5 Bindungsstelle konkurrieren oder direkt das Pax-5 Protein in Elektromobilitäts Experimenten (EMSA) binden. Das Einfügen von Mutationen an dieser Stelle verhindert die Bindung. Ein weiterer Versuch, bei dem die gesamte Länge des CD23a Promotors durch überlappende Peptide in einem kompetitiven Verfahren gegenüber hoch affinen Bindungsstellen getestet wurde, zeigt ebenso CD23-1 als die einzige Stelle, welche direkt Pax-5 binden kann. In weiteren Experimenten führte die Expression von Pax-5 in 293 Zellen zu einer 7fachen Aktivierung eines CD23a Kernpromotor Konstrukts. Die Kotransfektion zusammen mit STAT6 zeigte, dass Pax-5 mit diesem Transkriptionsfaktor kooperiert, indem es die Transkriptionsrate eines vergrößerten CD23a Promotorkonstrukts erhöht. Von besonderer Bedeutung ist die Tatsache, dass die ektope Expression von Pax-5 in der monozytären Zelllinie U-937, die normalerweise nur die CD23b Isoform exprimiert, dann zu einer Expression von CD23a nach Stimulation mit IL-4 und PMA führte. Unsere Ergebnisse legen nahe, dass Pax-5 in der auf B-Zellen beschränkten Expression der CD23 Isoform eine Schlüsselrolle zukommt. Im zweiten Teil des Projekts haben wir ein “Zwei-Hefen-Hybrid-System“ (Cyto-Trap von Stratagene) verwendet, um nach zytoplasmatischen Interaktionspartnern für den CD23 Rezeptor zu suchen. Das System wurde modifiziert um eine hohe Effizienz an Transformation zu erzielen. Unterschiedliche „Köder“-Vektorkonstrukte wurden hergestellt. Das Screening wurde mittels einer humanen Milzbibliothek mit dem Zielvektor des Systems durchgeführt. Die anfangs benutzten Konstrukte –pSosCD23a und pSosCD23b – exprimierten sehr kurze (22 Aminosäuren) zytoplasmatischen Reste der Isoformen am C-terminalen Ende des Fusionsproteins (humanes SOS). Verbesserte Konstrukte (pSos CD23a+Linker und pSosCD23b+Linker) exprimierten den zytoplasmatischen Anteil von CD23a/b am N-terminalen Ende des humanen SOS und hatten folglich den N-terminalen Anteil als Andockstelle frei, entsprechend den Bedingungen in vivo. Eine flexible Verbindungsregion trennte die Fusionsproteine, um auf diese Weise die kurze Aminosäurekette deutlich „sichtbar“ werden zu lassen. Annähernd drei Millionen Klone wurden mittels der verschiedenen Konstrukte untersucht. Dabei konnte keine tatsächlich positive Interaktion gefunden werden. Stattdessen fand sich eine vergleichsweise hohe Zahl falsch-positiver Klone. Diese wiederum wurden in einem zweiten “Zwei-Hefen-Hybrid-System“ getestet. In Zukunft wird ein neues Konstrukt als Köder verwendet werden. Hierbei wurde ein Tyrosin-Rest im zytoplasmatischen Anteil von CD23a durch Glutamat ersetzt. Das System wurde bereits dazu verwendet, die Interaktion zwischen CD23 und p59fyn - einem Mitglied der Src-Familie von Proteinkinasen, welches mit CD23a assoziiert sein soll – zu testen. Jedoch konnte im CytoTrap “Zwei-Hefen-Hybrid-System“ keine Wechselwirkung nachgewiesen werden. Zusammenfassend zeigt das zentrale Ergebnis der Arbeit, dass Pax-5 der Schlüsselregulator ist, der die B-Zell-spezifische Expression von CD23a ermöglicht. Zusätzlich wurde ein “Zwei-Hefen-Hybrid-System“ etabliert, mit dem zytoplasmatische Interaktionspartner für die CD23 Isoformen gefunden werden können. / Two isoforms of human CD23 (CD23a and CD23b) have been described. They differ by only 6-7 residues in the N-terminal cytoplasmic tail. CD23a is restrictively expressed on B-cells while CD23b is inducible on B-cells, as well as monocytes, eosinophils, macrophages and a variety of other cell types, after IL-4 stimulation. The two isoforms seems to have different functions. CD23a appears to be the isoform associated with endocytosis of IgE immune complexes and mediating antigen presentation on B-cells. CD23b has a phagocytosis motif and seems to be involved in the phagocytosis of IgE-coated particles, cytokine release and the generation of superoxides. Previous studies indicate that the two isoforms connect to different signal transduction pathways. Comparing the cells that express only one or both CD23 isoforms suggests that CD23b is involved in upregulating cAMP and iNOS, whereas CD23a mediates an increase in intracellular calcium. In the main part of the study we investigated how the CD23a B-cell specific expression is regulated. Pax-5 is a B-cell restricted transcription factor with an essential role in early and late B-cell development. Putative Pax-5 binding sites have been predicted in the CD23a proximal promoter. Analyses of the CD23a promoter revealed three putative Pax-5 binding sites with more than 50% homology to the consensus sequence. One of these sites, named CD23-1 can compete a high affinity Pax-5 binding site or can directly bind Pax-5 protein in electrophoretic mobility shift assays. Introducing mutations into this site abrogates the binding. A different approach, in which overlapping peptides covering the length of the CD23a promoter were tested in competition assays against a high affinity binding site, also revealed CD23-1 as the only site that directly binds Pax-5 protein. Expression of Pax-5 in 293 cells resulted in a 7-fold activation of a CD23a core promoter construct. Co-transfection together with STAT6 showed that Pax-5 cooperates with this transcription factor in enhancing the level of transcription of a CD23a extended promoter construct. Most importantly, ectopic expression of Pax-5 in the monocytic cell line U-937 that regularly expresses only the CD23b isoform enabled a significant CD23a expression after stimulation with IL-4 and PMA. Our results suggest that Pax-5 is a key regulator of the B-cell restricted expression of the CD23a isoform. In the second part of the project, we used a yeast two-hybrid system (CytoTrapTM from Stratagene) in order to look for cytoplasmic interaction partners for the CD23 receptor. The system was established in order to reach a high efficiency of transformation and different bait vector constructs were made. The screening was performed using a human spleen library cloned in the target vector of the system. The first bait constructs used (pSosCD23a and pSosCD23b) expressed the very short (22 amino acids) cytoplasmic tails of the isoforms at the C-terminal end of the fusion protein (human SOS). Improved bait constructs, (pSosCD23a+Linker and pSos CD23b+Linker) expressed the cytoplasmic tail of CD23a/b at the N-terminal side of the human SOS and had in consequence the N-terminal part free as a bait, as it occurs in vivo. A flexible linker region separated the fusion proteins in order to make the small amino acid bait chain more obvious. Approximately three million library clones were screened with these various constructs. No “true positive” interaction was detected. A relatively high number of “false positive” clones were obtained and checked in another two-hybrid system. A new bait construct, in which the tyrosine residue in the cytoplasmic tail of CD23a was replaced by a glutamic acid residue will be used for future screening. The system was also used in order to test the interaction between CD23 and p59fyn, a member of the Src family of protein kinases that was mentioned to associate with CD23a. No interaction was detected by using the CytoTrap two-hybrid system. In conclusion, the key result of the study demonstrates that Pax-5 is a main regulator of the B-cell specific expression of the CD23a isoform. In addition, a two-hybrid system was established and employed in order to look for cytoplasmic interaction partners for CD23.

In Zellen liegen RNAs in Form von Ribonukleoprotein-Komplexen (RNP) vor, wobei das Zusammenwirken von RNA und Proteinen die Funktionen der einzelnen RNPs definiert. RNA-bindenden Proteinen kommt demnach eine zentrale Bedeutung beim Verständnis des RNA-Metabolismus zu. Zu dieser Proteingruppe zählen auch die La-verwandten Proteine (engl. La-related proteins, LARPs), welche eine evolutionär konservierte Familie von Faktoren bilden und durch eine putative RNA-bindende Domäne, dem La Modul, charakterisiert sind. Bereits für zwei Vertreter dieser Proteinklasse (LARP3 und LARP7) konnte eine über das La Modul vermittelte spezifische Interaktion mit uridylreichen RNA-Sequenzen gezeigt werden. Ziel dieser Arbeit war es, einen Vertreter der LARP-Familie, das sogenannte LARP4B, sowohl biochemisch als auch strukturell zu untersuchen und es somit einem zellulären Prozess zuzuordnen. Zellbiologische Studien zeigten zunächst, dass LARP4B unter normalen Wachstumsbedingungen eine homogene zytoplasmatische Verteilung aufweist. Unter Stressbedingungen akkumuliert LARP4B hingegen in diskreten subzellulären Domänen, den sogenannten Stress Granules (SGs). Obwohl SGs bislang noch wenig funktionell untersucht sind, wird davon ausgegangen, dass sie der reversiblen Speicherung von mRNA-gebundenen Translationsfaktoren dienen. Durch affinitätschromatographische Strategien ließen sich spezifische Interaktionspartner von LARP4B identifizieren. Als direkte Bindungspartner wurden das zytoplasmatische Poly (A) bindende Protein 1 (PABPC1) und der Rezeptor für aktivierte C Kinase 1 (RACK1) gefunden. Darüber hinaus zeigten Sedimentationsanalysen, dass LARP4B nahezu quantitativ mit Ribosomen und Polyribosomen assoziiert vorliegt. Diese Studie identifizierte daher LARP4B als ein Protein, das mit Schlüsselfaktoren der eukaryotischen Translation wechselwirkt. In Übereinstimmung mit diesen Befunden reduziert ein RNAi-induzierter Mangel des Proteins die Translationsrate drastisch, während die Überexpression von LARP4B in vivo zu einer Stimulation der Proteinbiosynthese führt. Da dieser stimulatorische Einfluss bei einer Vielzahl unterschiedlicher mRNA-Spezies detektiert werden konnte, kann LARP4B als genereller, positiver Translationsfaktor angesehen werden. Interessanterweise wurden in Studien, die zeitgleich für das verwandte LARP1 durchgeführt wurden, vergleichbare zelluläre Interaktionen wie für LARP4B beschrieben. Um zu klären, ob beide LARPs Orthologe darstellen und funktionelle Redundanz zeigen, wurde in der vorgelegten Arbeit ein Vergleich von LARP4B mit LARP1 durchgeführt. Unabhängige in vivo Studien und Sedimentationsanalysen zeigten deutlich, dass beide Proteine im mRNA-Metabolismus agieren, jedoch in diesem unterschiedliche Phasen der eukaryotischen Proteinbiosynthese beeinflussen. / The cooperation of RNA with different classes of proteins in so called ribonucleoprotein complexes (RNPs) is essential for the function of these RNPs. Therefore, RNA-binding proteins play a crucial role to understand the complex mechanisms of RNA-metabolism. One family of such proteins comprise the La-related proteins (LARPs). These evolutionary conserved factors are characterized by a putative RNA-binding domain, named the La module. For two of these factors (LARP3 and LARP7) a specific interaction with RNA containing uridine-rich sequence elements mediated via their La module could be described. The present work describes the biochemical and structural characterization of LARP4B, a thus far uncharacterized member of the LARP family. Immunofluorescence analyses identified LARP4B as a cytosolic protein that accumulates upon arsenite treatment in cellular stress granules (SGs). While still not sufficiently determined, these domains are believed to serve as storage pools for stalled, mRNA-bound translation initiation complexes formed upon polyribosome disassembly. Biochemical experiments further uncovered an interaction of LARP4B with the Poly(A) binding protein cytosolic 1 (PABPC1) and the receptor for activated C Kinase 1 (RACK1). Moreover, under physiological conditions, LARP4B co-sediments almost quantitatively with polysomes in cellular extracts, suggesting a role in translation. In agreement with this notion, knockdown of LARP4B by RNA-interference impaired translation of cellular mRNAs whereas over-expression stimulated protein synthesis. As this stimulatory effect could be detected for a wide range of different mRNA-species, LARP4B hence represents a general stimulator of translation. Interestingly, parallel studies uncovered comparable cellular interactions for another LARP family member (LARP1). To test whether LARP4B and LARP1 represent orthologs possessing redundant function, these two factors have been compared in this work using several independent in vivo and in vitro studies. These data clearly showed that both proteins positively influence RNA-metabolism but influence different phases of protein biosynthesis.

Upon oncogenic stress, the tumor suppressor Arf can induce irreversible cell cycle arrest or apoptosis, depending on the oncogenic insult. In this study, it could be shown that Arf interacts with Myc and the Myc-associated zinc-finger protein Miz1 to facilitate repression of genes involved in cell adhesion. Formation of a DNA-binding Arf/Myc/Miz1 complex disrupts interaction of Miz1 with its coactivator nucleophosmin and induces local heterochromatinisation, causing cells to lose attachment and undergo anoikis. The assembly of the complex relies on Myc, which might explain why high Myc levels trigger apoptosis and not cell cycle arrest in the Arf response. This mechanism could play an important role in eliminating cells harboring an oncogenic mutation. Arf furthermore induces sumoylation of Miz1 at a specific lysine by repressing the desumoylating enzyme Senp3. A sumoylation-deficient mutant of Miz1 however does not show phenotypic differences under the chosen experimental conditions. Myc can also be modified by Sumo by multisumoylation at many different lysines, which is unaffected by Arf. The exact mechanism and effect of this modification however stays unsolved. / Der Tumorsuppressor Arf wird durch onkogenen Stress induziert und kann entweder einen irreversiblen Zellzyklusarrest oder Apoptose auslösen. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass Arf mit Myc und dem Myc-interagierenden Zinkfingerprotein Miz1 assoziiert und dadurch Gene der Zelladhäsion reprimiert. Die Ausbildung eines DNA-bindenden Arf/Myc/Miz1 Komplexes verhindert eine Interaktion von Miz1 mit seinem Koaktivator Nucleophosmin und führt zur lokalen Ausbildung von Heterochromatin, was zum Ablösen der Zellen und schließlich zur Anoikis führt. Die Komplexbildung setzt die Beteiligung von Myc voraus, was erklären könnte warum hohe Mengen an Myc über Arf Apoptose und nicht Zellzyklusarrest auslösen. Dieser Mechanismus könnte eine wichtige Rolle bei der Eliminierung von Zellen mit einer onkogenen Mutation spielen. Arf induziert darüber hinaus die Sumoylierung von Miz1 an einem bestimmten Lysin indem es das desumoylierende Enzyme Senp3 inhibiert. Eine Mutante von Miz1 die nicht mehr sumoyliert werden kann zeigt jedoch in den durchgeführten Untersuchungen keinen anderen Phänotyp als Wildtyp Miz1. Myc kann ebenfalls an vielen verschiedenen Lysinen mit Sumo modifiziert werden, wobei Arf jedoch keine Rolle spielt. Der genaue Mechanismus und Effekt dieser Modifikation konnte jedoch nicht geklärt werden.

Embryonale Stammzellen (ESCs) sind durch zwei charakteristische Eigenschaften definiert. Neben einer kontinuierlichen Selbsterneuerungskapazität weisen ESCs die Fähigkeit auf, in alle Zelltypen der drei Keimblätter differenzieren zu können. Diese Eigenschaften werden unter anderem durch ein Netzwerk wichtiger Pluripotenzfaktoren als auch durch epigenetische Mechanismen reguliert, welche die Transkription von Pluripotenz- und Differenzierungsgenen kontrollieren. In murinen ESCs sind an der Repression von Differenzierungsgenen auch Polycomb group (PcG) Proteine beteiligt. Diese Proteine bauen zwei Chromatin-modifizierende Komplexe auf, die als Polycomb repressive complex 1 bzw. 2 (PRC1 bzw. PRC2) bezeichnet werden. Nach dem klassischen Modell der Polycombfunktion, katalysieren PRC1 und PRC2 gemeinsam zwei charakteristische Histonmodifikationen, die zur Repression PRC-spezifischer Zielgene beitragen. Zahlreiche Studien in den letzten Jahren belegen, dass der Proteinaufbau der PRC1 Komplexe stark variieren kann, wobei die Familie der Polycomb group RING finger (Pcgf) Proteine eine wichtige Rolle spielt. In diesem Zusammenhang definieren einzelne Pcgf Paraloge (Pcgf1 – 6) verschiedene PRC1 Varianten (PRC1.1 – 1.6), die Komplex-spezifische Bindestellen im Genom aufweisen. Diese Erkenntnisse lassen auf unterschiedliche Mechanismen der PRC1 Varianten und Pcgf Paralog-spezifische Funktionen schließen, die zum jetzigen Zeitpunkt nur wenig erforscht sind. Für manche Pcgf Paraloge sind wichtige Rollen in verschiedenen Stammzelltypen und während der iPS Reprogrammierung bekannt. Pcgf1 (Nspc1), Pcgf2 (Mel18) und Pcgf4 (Bmi1) zeigen eine Funktion in verschiedenen adulten Stammzellen. Pcgf4 spielt darüber hinaus eine wichtige Rolle in der murinen iPS Reprogrammierung. Für Pcgf6 (Mblr) wird eine Pluripotenz-assoziierte Funktion angenommen, denn Pcgf6 ist das einzige Pcgf Paralog, das eine erhöhte Expression in murinen ESCs aufweist, die jedoch im Verlauf der ESC-Differenzierung absinkt. Außerdem zeigen murine Pcgf6 KD ESCs eine verminderte Expression der Pluripotenzgene Oct4, Sox2 und Nanog, eine De-Repression mesodermaler und Testes-spezifischer Gene als auch eine erhöhte Tendenz zur hämatopoetischen Differenzierung. Wie genau Pcgf6 an der Regulation dieser Prozesse in murinen ESCs beteiligt ist, ist nicht bekannt. In der hier vorliegenden Dissertation wurde die Funktion von Pcgf6 in der murinen iPS Reprogrammierung untersucht. Da bereits für Pcgf4 eine Rolle in der Reprogrammierung somatischer Zellen gezeigt wurde und Pcgf6 eine erhöhte Expression in ESCs aufweist, wurde auch für Pcgf6 eine Funktion in der iPS Reprogrammierung angenommen. Zunächst konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass Pcgf6 während der iPS Reprogrammierung verstärkt exprimiert wird und in iPS Zellen eine ESC-ähnliche Expression aufweist. Darüber hinaus konnte Pcgf6 in Kombination mit Oct4, Klf4 und c-Myc spezifisch den Transkriptionsfaktor Sox2 in der iPS Reprogrammierung ersetzen. Zudem wurden für OPKM-induzierte iPS Zellen charakteristische Eigenschaften pluripotenter Zellen nachgewiesen. Außerdem konnte eine Rolle von Pcgf6 als Enhancer-Faktor für die iPS Reprogrammierung ausgeschlossen werden, da die Überexpression von Pcgf6 zusammen mit den OSKM Faktoren keine additiven Effekte auf die Reprogrammierungseffizienz erzielte. Im Gegensatz dazu führte der Knockdown (KD) von Pcgf6 in embryonalen Mausfibroblasten (MEFs) zu verminderten Effizienzen nach OSKM Reprogrammierung. Darüber hinaus handelte es sich bei der Mehrheit der AP+ Kolonien, die unter Pcgf6 KD Konditionen entstanden, um partiell-reprogrammierte iPS Zellen. Zusammengefasst zeigen die Ergebnisse der hier vorliegenden Arbeit, dass Pcgf6 ein neuer und essentieller Faktor der iPS Reprogrammierung ist, der in Kombination mit Oct4, Klf4 und c-Myc spezifisch den Transkriptionsfaktor Sox2 ersetzen kann. / Embryonic stem cells (ESCs) are characterized by their ability for continuous self-renewal maintaining the undifferentiated cell state and their capacity to generate all differentiated cell types of the three germ layers. Regulators of these characteristics include a protein interaction network of pluripotency-specific factors and epigenetic mechanisms that together control the transcription of pluripotency- and differentiation-associated genes. Among the interaction partners of the pluripotency-specific protein network in murine ESCs are Polycomb group (PcG) proteins. These proteins assemble in two complexes termed Polycomb group repressive complex 1 and 2 (PRC1 and PRC2). In the classical model, PRC1 and PRC2 act hierarchically together in catalyzing two characteristic histone modifications thereby contributing to the repression of PRC-specific target genes like differentiation-associated genes in ESCs. Recently, it has been shown that there are numerous PRC1 variants that differ in their protein composition. In this context, the family of Polycomb group RING finger (Pcgf) proteins (Pcgf1 – 6) defines distinct PRC1 variants (PRC1.1 – 1.6) that exhibit complex-specific genomic binding sites. Together, this indicates diverse mechanisms of PRC1 variants and Pcgf Paralog-specific functions that are not well understood. Pcgf Paralogs are known to play essential roles in various stem cell types and during iPS reprogramming. Pcgf1 (Nspc1), Pcgf2 (Mel18) and Pcgf4 (Bmi1) function in diverse adult stem cells. Further, Pcgf4 plays a role in murine iPS Reprogramming. For Pcgf6 (Mblr), a pluripotency-associated function is assumed. Pcgf6 is the only Pcgf paralog with an elevated expression in murine ESCs and when ESCs differentiate Pcgf6 expression decreases. In addition, following Pcgf6 KD in ESCs the expression of Oct4, Sox2 and Nanog declines while mesodermal and testes-specific genes become de-repressed. Furthermore, Pcgf6 KD ESCs are more prone for hematopoietic lineage differentiation. The precise mechanisms by which Pcgf6 controls these processes in murine ESCs are not known. In this work, I investigated the function of Pcgf6 in murine iPS reprogramming. I assumed a role for Pcgf6 in iPS reprogramming because it is highly expressed in ESCs and it was recently shown that Pcgf4 plays a role in the reprogramming of somatic cells. The data of my work show that Pcgf6 expression is increased in iPS reprogramming and that Pcgf6 exhibits an ESC-like gene expression pattern in iPS cells. Furthermore, Pcgf6 was able to replace the transcription factor Sox2 in combination with Oct4, Klf4 and c-Myc. In addition, OPKM-induced iPS cells showed pluripotency-specific characteristics. The overexpression of Pcgf6 together with the OSKM factors did not result in significantly increased reprogramming efficiencies indicating that Pcgf6 does not function as an enhancer-factor. However, Pcgf6 knockdown (KD) in mouse embryonic fibroblasts (MEFs) resulted in decreased efficiencies after iPS reprogramming. Additionally, the majority of AP+ colonies formed after OSKM reprogramming of Pcgf6 KD MEFs represented partially reprogrammed iPS cells, as they did not exhibit ESC-like morphologies and reduced expression levels of Oct4, Sox2 and Nanog. Together, the data of my work show that Pcgf6 is a new and essential factor in iPS reprogramming that can specifically replace the transcription factor Sox2 in combination with Oct4, Klf4 and c-Myc.

The correct regulation of cell growth and proliferation is essential during normal animal development. Myc proteins function as transcription factors, being involved in the con-trol of many growth- and proliferation-associated genes and deregulation of Myc is one of the main driving factors of human malignancies. The first part of this thesis focuses on the identification of directly regulated Myc target genes in Drosophila melanogaster, by combining ChIPseq and RNAseq approaches. The analysis results in a core set of Myc target genes of less than 300 genes which are mainly involved in ribosome biogenesis. Among these genes we identify a novel class of Myc targets, the non-coding small nucleolar RNAs (snoRNAs). In vivo studies show that loss of snoRNAs not only impairs growth during normal development, but that overexpression of several snoRNAs can also enhance tumor development in a neu-ronal tumor model. Together the data show that Myc acts as a master regulator of ribo-some biogenesis and that Myc’s transforming effects in tumor development are at least partially mediated by the snoRNAs. In the second part of the thesis, the interaction of Myc and the Zf-protein Chinmo is described. Co-immunoprecipitations of the two proteins performed under endogenous and exogenous conditions show that they interact physically and that neither the two Zf-domains nor the BTB/POZ-domain of Chinmo are important for this interaction. Fur-thermore ChIP experiments and Myc dependent luciferase assays show that Chinmo and Myc share common target genes, and that Chinmo is presumably also involved in their regulation. While the exact way of how Myc and Chinmo genetically interact with each other still has to be investigated, we show that their interaction is important in a tumor model. Overexpression of the tumor-suppressors Ras and Chinmo leads to tu-mor formation in Drosophila larvae, which is drastically impaired upon loss of Myc. / Die korrekte Regulation von Zellwachstum und Proliferation ist von entscheidender Bedeutung für die Entwicklung von Tieren. Myc-Proteine fungieren als Transkriptions-faktoren, die in die Funktionskontrolle vieler Gene eingebunden sind die eine Rolle bei Zellwachstum und Proliferation spielen. Fehlregulierung von Myc ist ein Hauptfaktor menschlicher Tumorbildung. Der erste Teil dieser Dissertation beschäftigt sich mit der Identifizierung direkt regulierter Myc Zielgene in Drosophila melanogaster durch Kombination von ChIPseq und RNAseq Analysen. Insgesamt wurde eine Hauptgruppe von weniger als 300 Myc Ziel-genen identifiziert, von denen der Großteil eine Funktion in der Ribosomen Biogenese hat. Unter diesen Genen haben wir eine neue Klasse an Myc Zielgenen identifiziert, die nicht-codierenden „small nucleolar RNAs“ (snoRNAs). In vivo Experimente zeigen, dass der Verlust der snoRNAs nicht nur das Wachstum während der natürlichen Ent-wicklung beeinträchtigt, sondern auch, dass Überexpression verschiedener snoRNAs die Tumorbildung in einem neuronalen Tumormodel begünstigt. Zusammenfassend zeigen die Daten, dass Myc maßgeblich Ribosomen Biogenese steuert und dass der transformierende Effekt, den Myc in der Tumorentwicklung inne hat, zumindest teilwei-se durch die snoRNAs gesteuert wird. Im zweiten Teil der Arbeit wird die Interaktion von Myc und dem Zink-Finger Protein Chinmo beschrieben. Co-Immunoprezipitationen der zwei Proteine die unter endogenen und exogenen Bedingungen durchgeführt wurden zeigen, dass sie physisch miteinander interagieren und dass weder Chinmos Zf-Domänen noch seine BTB/POZ-Domäne für diese Interaktion verantwortlich sind. ChIP-Versuche und Myc abhängige Luciferase-Assays zeigen weiterhin, dass Chinmo und Myc gemeinsame Zielgene besitzen und dass Chinmo darüber hinaus wahrscheinlich auch an ihrer Regulation beteiligt ist. Während der genaue Zusammenhang der genetischen Interaktionen von Myc und Chinmo noch ungewiss ist und weiterer Untersuchungen bedarf, kann gezeigt werden, dass die Interaktion der beiden Proteine in einem Tumormodel eine Rolle spielt. Die Tumorbildung die durch Überexpression des Tumorsuppressors Ras zusammen mit Chinmo hervorgerufen wird, wird durch den Verlust von Myc stark reduziert.