Der GLI2-Transkriptionsfaktor ist eines der Haupt Effektor-Proteine des Sonic Hedgehog (SHH)-Signalweges und hat vermutlich eine Schlüsselfunktion in der Entwicklung der Hypophyse. Genomische GLI2-Veränderungen welche zu abgeschnittenen Proteinen führten, wurden beschrieben als Ursache für Holoprosenzephalie (HPE) oder HPE-ähnliche Veränderungen, teilweise in Verbindung mit einer Hypophysenunterfunktion. Ziel dieser Arbeit war die Ermittlung der Frequenz von GLI2-Mutationen in Patienten mit multiplem hypophysärem Hormonausfall (multiple pituitary hormone deficiency, MPHD) und eine funktionelle Untersuchung der gefunden Mutationen mittels Transkriptionsaktivitäts-Untersuchungen durch funktionelle Luciferase assays. Hierfür wählten wir Teilnehmer der GeNeSIS (Genetics and Neuroendocrinology of Short Stature International Study)-Studie. Patienten bei denen bereits Mutationen eines der etablierten Gene für MPHD nachgewiesen wurde, wurden ausgeschlossen. Insgesamt haben wir 168 Patienten mit MPHD untersucht. Bei allen Patienten waren mindestens ein GH- und ein TSH-Mangel dokumentiert, Auffälligkeiten in der zentralen Bildgebung mittels cMRT wurden bei 96 Patienten angegeben. In fünf Studienteilnehmern wurden vier verschiedene heterozygote missense Varianten nachgewiesen, hiervon wurden zwei bislang noch nicht in der Literatur beschrieben. Eine Variante, pR516P, führte in den in-vitro Experimenten zu einem kompletten Verlust der Proteinaktivität. Zusätzlich zu einem Wachstumshormonmangel hatte der Träger dieser Mutation einen Mangel an TSH und der Gonadotropine, sowie einen nichtdeszendierten Hypophysenhinterlappen und eine Polydaktylie, aber keine ersichtlichen Mittelliniendefekte. Anhand der funktionellen Untersuchung konnten wir erstmalig nachweisen, dass ein heterozygoter Aminosäuren-Austausch im GLI2-Protein zu einer möglichen Funktionseinschränkung der Transkriptionsaktivität führen kann und somit die Ursache für MPHD mit milden extrahypophysären Auffälligkeiten sein könnte. Der Phänotyp von GLI2-Mutationen ist variabel und die Penetranz ist unvollständig. GLI2-Mutationen sind assoziiert mit einer Hypoplasie des Hypophysenvorderlappens und treten gehäuft mit einem ektopen Hypophysenhinterlappen auf.

Der GLI2-Transkriptionsfaktor ist eines der Haupt Effektor-Proteine des Sonic Hedgehog (SHH)-Signalweges und hat vermutlich eine Schlüsselfunktion in der Entwicklung der Hypophyse. Genomische GLI2-Veränderungen welche zu abgeschnittenen Proteinen führten, wurden beschrieben als Ursache für Holoprosenzephalie (HPE) oder HPE-ähnliche Veränderungen, teilweise in Verbindung mit einer Hypophysenunterfunktion. Ziel dieser Arbeit war die Ermittlung der Frequenz von GLI2-Mutationen in Patienten mit multiplem hypophysärem Hormonausfall (multiple pituitary hormone deficiency, MPHD) und eine funktionelle Untersuchung der gefunden Mutationen mittels Transkriptionsaktivitäts-Untersuchungen durch funktionelle Luciferase assays. Hierfür wählten wir Teilnehmer der GeNeSIS (Genetics and Neuroendocrinology of Short Stature International Study)-Studie. Patienten bei denen bereits Mutationen eines der etablierten Gene für MPHD nachgewiesen wurde, wurden ausgeschlossen. Insgesamt haben wir 168 Patienten mit MPHD untersucht. Bei allen Patienten waren mindestens ein GH- und ein TSH-Mangel dokumentiert, Auffälligkeiten in der zentralen Bildgebung mittels cMRT wurden bei 96 Patienten angegeben. In fünf Studienteilnehmern wurden vier verschiedene heterozygote missense Varianten nachgewiesen, hiervon wurden zwei bislang noch nicht in der Literatur beschrieben. Eine Variante, pR516P, führte in den in-vitro Experimenten zu einem kompletten Verlust der Proteinaktivität. Zusätzlich zu einem Wachstumshormonmangel hatte der Träger dieser Mutation einen Mangel an TSH und der Gonadotropine, sowie einen nichtdeszendierten Hypophysenhinterlappen und eine Polydaktylie, aber keine ersichtlichen Mittelliniendefekte. Anhand der funktionellen Untersuchung konnten wir erstmalig nachweisen, dass ein heterozygoter Aminosäuren-Austausch im GLI2-Protein zu einer möglichen Funktionseinschränkung der Transkriptionsaktivität führen kann und somit die Ursache für MPHD mit milden extrahypophysären Auffälligkeiten sein könnte. Der Phänotyp von GLI2-Mutationen ist variabel und die Penetranz ist unvollständig. GLI2-Mutationen sind assoziiert mit einer Hypoplasie des Hypophysenvorderlappens und treten gehäuft mit einem ektopen Hypophysenhinterlappen auf.:1. Bibliographische Beschreibung S. 4 2. Abkürzungen (alphabetisch sortiert) S. 6 3. Hintergrund S. 8 3.1 Minderwuchs S. 8 3.2 GeNeSIS-Programm S. 10 3.3 Entwicklung, Aufbau und Funktion der Hypophyse S. 11 3.4 Molekularbiologie der Hypophysenentwicklung S. 12 3.4.1 Signalmoleküle, die die Stratifizierung der Rathke-Tasche und die Festlegung der hypophysären Zelllinien bestimmen S. 12 3.4.2 Transkriptionsfaktoren, welche die frühen Phasen der Anlage kontrollieren S. 13 3.5 Hedgehog-Gen Familie S. 15 3.5.1 SHH-Prozessierung und Freisetzung S. 16 3.5.2 SHH-Rezeptorbindung S. 17 3.5.3 SHH-Signaltransduktion S. 17 3.6 GLI-Proteine S. 18 3.6.1 GLI2 S. 19 3.6.2 GLI2-Mutationen bei Menschen S. 20 3.7 Rationale für die Promotionsarbeit S. 20 4. Publikation S. 22 4.1. Druckversion S. 22 4.2 Supplemental Material S. 32 5. Zusammenfassung und Interpretation S. 40 5.1 Screening S. 41 5.2 GLI2-Varianten S. 41 5.3 Experimentelle Untersuchungen S. 42 5.4 Interpretation und Diskussion S. 43 6. Referenzen S. 45 7. Anlagen S. 54 7.1 Erklärung über die eigenständige Abfassung der Arbeit S. 54 7.2 Lebenslauf S. 55 7.3 Publikationen und Auszeichnungen S. 56 7.3.1 Publikationen S. 56 7.3.1 Auszeichnungen S. 56 7.5 Danksagung S. 57

Background: Growth hormone (GH) has been used to treat children with GH deficiency (GHD) since 1966. Aims: Using a combined retrospective and cross-sectional approach, we explored the long-term outcomes of patients with GHD, analysed factors influencing therapeutic response, determined persistence into adulthood, investigated pituitary morphology, and screened for mutations in causative genes. Methods: The files of 96 GH-deficient children were reviewed. In a subset of 50 patients, re-assessment in adulthood was performed, including GHRH-arginine testing, pituitary magnetic resonance imaging (MRI), and mutational screening for the growth hormone-1 gene (GH1) and the GHRH receptor gene (GHRHR) in isolated GHD (IGHD), and HESX1 , PROP1 , POU1F1 , LHX3 , LHX4 , and GLI2 in multiple pituitary hormone deficiency (MPHD) patients. Results: GH was started at a height SDS of –3.2 ± 1.4 in IGHD patients and of –4.1 ± 2.1 in MPHD patients. Relative height gain was 0.3 SDS/year, absolute gain 1.6 SDS, and 1.2/2.6 SDS in IGHD/MPHD, respectively. Mid-parental target height was reached in 77%. Initial height SDS, bone age retardation and duration of GH replacement were correlated with height SDS gain. GHD persisted into adulthood in 19 and 89% of subjects with IGHD and MPHD, respectively. In 1/42 IGHD patients a GH1 mutation was detected; PROP1 mutations were found in 3/7 MPHD subjects. Anterior pituitary hypoplasia, combined with posterior pituitary ectopy and pituitary stalk invisibility on MRI, was an exclusive finding in MPHD patients. Conclusions: GH replacement successfully corrects the growth deficit in children with GHD. While the genetic aetiology remains undefined in most cases of IGHD, PROP1 mutations constitute a major cause for MPHD. Persistence of GHD into adulthood is related to abnormal pituitary morphology.