The Xiphophorus melanoma system is a useful animal model for the study of the genetic basis of tumor formation. The development of hereditary melanomas in interspecific hybrids of Xiphophorus is connected to pigment cell specific overexpression of the mutationally activated receptor tyrosine kinase Xmrk. In purebred fish the oncogenic function of xmrk is suppressed by the molecularly still unidentified locus R. The xmrk oncogene was generated by a gene duplication event from the Xiphophorus egfrb gene and thereby has acquired a new 5’ regulatory sequence, which has probably altered the transcriptional control of the oncogene. So far, the xmrk promoter region was still poorly characterized and the molecular mechanism by which R controls xmrk-induced melanoma formation in Xiphophorus still remained to be elucidated. To test the hypothesis that R controls melanoma development in Xiphophorus on the transcriptional level, the first aim of the thesis was to gain a deeper insight into the transcriptional regulation of the xmrk oncogene. To this end, a quantitative analysis of xmrk transcript levels in different Xiphophorus genotypes carrying either the highly tumorigenic xmrkB or the non-tumorigenic xmrkA allele was performed. I was able to demonstrate that expression of the tumorigenic xmrkB allele is strongly increased in malignant melanomas of R-free backcross hybrids compared to benign lesions, macromelanophore spots, and healthy skin. The expression level of the non-tumorigenic xmrkA allele, in contrast, is not influenced by the presence or absence of R. These findings strongly indicate that differential transcriptional regulation of the xmrk promoter triggers the tumorigenic potential of these xmrk alleles. To functionally characterize the xmrk promoter region, I established a luciferase assay using BAC clones containing the genomic regions where xmrk and egfrb are located for generation of reporter constructs. This approach showed for the first time a melanoma cell specific transcriptional activation of xmrkB by its flanking regions, thereby providing the first functional evidence that the xmrk oncogene is controlled by a pigment cell specific promoter region. Subsequent analysis of different deletion constructs of the xmrkB BAC reporter construct strongly indicated that the regulatory elements responsible for the tumor-inducing overexpression of xmrkB in melanoma cells are located within 67 kb upstream of the xmrk oncogene. Taken together, these data indicate that melanoma formation in Xiphophorus is regulated by a tight transcriptional control of the xmrk oncogene and that the R locus acts through this mechanism. As the identification of the R-encoded gene(s) is necessary to fully understand how melanoma formation in Xiphophorus is regulated, I furthermore searched for alternative R candidate genes in this study. To this end, three genes, which are located in the genomic region where R has been mapped, were evaluated for their potential to be a crucial constituent of the regulator locus R. Among these genes, I identified pdcd4a, the ortholog of the human tumor suppressor gene PDCD4, as promising new candidate, because this gene showed the expression pattern expected from the crucial tumor suppressor gene encoded at the R locus. / Fische der Gattung Xiphophorus sind ein gut etabliertes Modellsystem zur Analyse der genetischen Grundlagen der Tumorentwicklung. Die Entwicklung hereditärer Melanome in bestimmten interspezifischen Xiphophorus-Hybriden wird durch die pigmentzellspezifische Überexpression des Onkogens xmrk ausgelöst. Dieses Gen codiert für eine durch Mutationen aktivierte Rezeptortyrosinkinase. In den reinerbigen Elterntieren wird die onkogene Funktion von xmrk durch den Regulator-Locus R unterdrückt, welcher jedoch auf molekularer Ebene noch nicht identifiziert wurde. Das Onkogen xmrk ist durch eine Genduplikation aus dem Protoonkogen egfrb entstanden und hat dabei eine neue regulatorische 5‘ Region erhalten, welche mit hoher Wahrscheinlichkeit die transkriptionelle Regulation des Onkogens verändert hat. Die Promotorregion von xmrk war allerdings bisher nur unzureichend charakterisiert und der molekulare Mechanismus, durch den der R-Locus die xmrk-induzierte Melanomentwicklung kontrolliert, war noch weitgehend unbekannt. Um zu analysieren, ob der R-Locus die Melanomentwicklung in Xiphophorus auf transkriptioneller Ebene kontrolliert, war das erste Ziel dieser Arbeit die transkriptionelle Regulation des xmrk Onkogens genauer zu untersuchen. Zu diesem Zweck habe ich eine quantitative Analyse der xmrk Expressionslevel in Geweben verschiedener Xiphophorus-Genotypen durchgeführt, welche entweder das stark tumorigene xmrkB oder das nicht tumorigene xmrkA Allel besitzen. Ich konnte zeigen, dass im Vergleich zu benignen Läsionen, Macromelanophoren und gesunder Haut, die Expression des tumorigenen xmrkB Allels in den malignen Melanomen der R-defizienten Rückkreuzungshybride stark erhöht ist. Das Expressionslevel des xmrkA Allels wird hingegen nicht durch den R-Locus beeinflusst. Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass eine differenzielle transkriptionelle Regulierung des xmrk Promotors für die Unterschiede im onkogenen Potential dieser Allele verantwortlich ist. Um die xmrk Promotorregion funktional zu charakterisieren, habe ich in der hier vorliegenden Studie einen Luciferase-Assay etabliert, für den BAC-Klone, welche die xmrk- oder egfrb-Region enthalten, zur Herstellung von Reporterkonstrukten verwendet wurden. Mit Hilfe dieses Ansatzes konnte ich zum ersten Mal eine melanomzellspezifische Aktivierung des xmrkB Gens durch seine regulatorischen Regionen zeigen. Dies liefert den ersten funktionalen Beweis, dass das xmrk Onkogen tatsächlich durch einen pigmentzellspezifischen Promotor kontrolliert wird. Durch die nachfolgende Analyse einer Deletionsserie des xmrkB Reporterkonstrukts konnte gezeigt werden, dass die regulatorischen Elemente, welche die starke Überexpression von xmrk in Melanomzellen steuern, in den proximalen 67 kb der xmrk 5‘ Region lokalisiert sind. Zusammengefasst deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass die Melanomentwicklung in Xiphophorus durch eine strikte transkriptionelle Kontrolle des xmrk Onkogens reguliert wird und dass der Regulator-Locus R seine tumorsuppressive Funktion über diesen Mechanismus ausübt. Da die Identifizierung des R-Locus-Gens entscheidend ist, um die Melanomentwicklung in Xiphophorus vollständig zu verstehen, habe ich im zweiten Teil dieser Arbeit drei Gene, welche in derselben genomischen Region liegen in der R lokalisiert wurde, genauer untersucht, um zu testen, ob es sich bei einem dieser Gene um eine entscheidende tumorsuppressive Komponente des R-Locus handelt. Von diesen Genen wurde pdcd4a, welches das Ortholog zum humanen Tumorsuppressorgen PDCD4 ist, als vielversprechendes neues Kandidatengen identifiziert, da das Expressionsmuster von pdcd4a mit dem zu erwartenden Expressionsmuster des am R-Locus codierten Tumorsuppressorgens übereinstimmt.

Regensburg, Univ., Diss., 2008.

Melanome stellen die gefährlichste Form von Hautkrebs mit der höchsten Mortalitätsrate dar. Der Transformation normaler Melanozyten zu malignen Melanomen liegen komplexe molekulare und biochemische Veränderungen zu Grunde. Im Xiphophorus-Melanom-Modell ist die onkogene Rezeptortyrosinkinase "Xiphophorus melanoma receptor kinase" (Xmrk) der alleinige Auslöser der Melanominitiation und -progression. Die Aufklärung der Xmrk-vermittelten Signaltransduktion kann zum besseren Verständnis von Ereignissen, die auch bei der humanen Melanomentwicklung eine Rolle spielen, beitragen. In der vorliegenden Arbeit wurde mit Hilfe der Microarray-Technologie die Regulation der Genexpression durch Xmrk analysiert. Zu den nach Rezeptoraktivierung am stärksten herabregulierten Genen gehörten "son of sevenless homolog 1" (Sos1) und "ubiquitin-conjugating enzyme E2I" (Ube2i); stark hochreguliert waren "early growth response 1" (Egr1), "cysteine-rich protein 61" (Cyr61), "dual-specificity phosphatase 4" (Dusp4), "fos-like antigen 1" (Fosl1), "epithelial membrane protein" (Emp1), Osteopontin (Opn), "insulin-like growth factor binding protein 3" (Igfbp3) und "tumor-associated antigen L6" (Taal6). Die für die Regulation dieser Gene verantwortlichen Signalwege wurden durch die Anwendung von niedermolekularen Inhibitoren und siRNA identifiziert, wobei für die SRC-Kinase FYN eine zentrale Bedeutung bei der Xmrk-abhängigen Regulation der Genexpression festgestellt wurde. Darüber hinaus wurde die Expression der Gene in humanen Melanomzelllinien im Vergleich zu normalen humanen Melanozyten untersucht. Als besonders vielversprechende Kandidaten stellten sich dabei DUSP4 und TAAL6 heraus, deren Rolle in der humanen Melanominduktion und -progression Gegenstand zukünftiger Studien sein wird. In einem anderen Ansatz zur Aufklärung des Signalnetzwerkes sollten Zielproteine von Xmrk durch Protein-Protein-Interaktionsstudien mit Hilfe des Split-Ubiquitin-Systems ermittelt werden. Aufgrund ungünstiger Expressions- oder Faltungseigenschaften von Xmrk in diesem System war es aber nicht möglich, den Rezeptor als Köderprotein einzusetzen. Das für die Xmrk-vermittelte Melanomentstehung zentrale Protein FYN konnte jedoch als Köder etabliert und seine Wechselwirkung mit der Tyrosinkinase FAK analysiert werden. Es wurde gezeigt, dass der phosphorylierte Tyrosinrest an Position 397 von FAK für die Interaktion einer N-terminal trunkierten FAK-Variante mit FYN notwendig ist und dass diese Phosphorylierung in Hefe gewährleistet zu sein scheint. Die Suche nach neuen Interaktionspartnern von FYN mittels der Split-Ubiquitin-Technologie könnte Einblicke in weitere FYN-abhängige Ereignisse bieten, die zur Aufklärung seiner zentralen Rolle bei der Tumorentstehung dienen könnte. / Melanoma is the most aggressive type of skin cancer with the highest mortality rate. The transformation of melanocytes to malignant melanoma is based on complex molecular and biochemical alterations. In the Xiphophorus melanoma model, the oncogenic receptor tyrosine kinase Xiphophorus melanoma receptor kinase (Xmrk) is the sole trigger of melanoma initiation and progression. Elucidating Xmrk-dependent signaling pathways may contribute to a better understanding of processes that play a role in human melanomagenesis, too. Here, the regulation of gene expression by Xmrk was analyzed using a microarray approach. The genes with the strongest down-regulation in response to receptor activation included son of sevenless homolog 1 (Sos1) and ubiquitin-conjugating enzyme E2I (Ube2i), whereas early growth response 1 (Egr1), cysteine-rich protein 61 (Cyr61), dual-specificity phosphatase 4 (Dusp4), fos-like antigen 1 (Fosl1), epithelial membrane protein (Emp1), Osteopontin (Opn), insulin-like growth factor binding protein 3 (Igfbp3), and tumor-associated antigen L6 (Taal6) were strongly up-regulated. The pathways regulating expression of these genes were identified by applying small molecule inhibitors and siRNA. Interestingly, the SRC-family kinase FYN was found to be a key-player in Xmrk-dependent gene regulation. Furthermore, expression of the genes in human melanoma cell lines compared to normal human melanocytes was investigated. The most promising candidates, which might be important for melanoma induction and progression, were DUSP4 and TAAL6. Their potential suitability as diagnostic and prognostic melanoma markers will be addressed in future studies. In addition to gene expression analysis, protein-protein interactions were to be assayed by the split-ubiquitin-system in order to identify novel Xmrk targets. Unfortunately, inappropriate expression or folding of the receptor in this system precluded it from working as bait. However, the FYN protein, which has a central role in Xmrk-mediated signaling, was established as bait and its association with FAK was analyzed in more detail. A phosphorylated tyrosine residue at position 397 of FAK was demonstrated to be necessary for the interaction of an N-terminally truncated FAK variant with FYN, and this phosphorylation event seems to be feasible in yeast. In future, a split-ubiquitin based screen for novel interaction partners of FYN might provide insights into FYN-dependent processes and help to understand its central role in tumor development.

Ziel dieser Arbeit ist es ein besseres Verständinis der molekularen Prozesse der Melanomentstehung und Tumorprogression zu gewinnen. Hierfür wurde ein Tiermodell transgener Medakas (Oryzias latipes) verwendet, welche als stabiles Transgen das Konstrukt mitf::xmrk besitzen. Diese Fische entwickelten Pigmentzelltumore, welche für eine Microarrayanalyse herangezogen wurden. Aus diesem Microarraydatensatz wurden 11 Gene ausgewählt, welche in dieser Arbeit näher untersucht wurden. Beobachtungen haben ergeben, dass sich bei transgenen Medakas, welche Xmrk exprimieren, verschiedene pigmentierte Hauttumore entwickeln. Diese Tumore wurden je nach ihrem verschiedenen Histiotyp klassifiziert und untersucht. Um einen Eindruck zu gewinnen, wie Xmrk die Transkription verschiedener Gene, welche in der Krebsentstehung und –progression eine wichtige Rolle spielen, beeinflusst, wurden pigmentierte Hauttumore transgener Medakas, so wie zu Vergleichszwecken hyperpigmentierte Haut transgener Medakas und Lymphome und gesunde Organe von Wildtyp-Medakas, untersucht. Mit Hilfe von Real-time-PCR’s wurden die folgenden Gene untersucht: G6PC, GAMT, GM2A, MAPK3, NID1, SLC24A5, SPP1, PDIA4, RASL11B, TACC2 und ZFAND5. Dabei konnte festgestellt werden, dass die Expression der Gene GM2A, MAPK3, NID1, PDIA4, RASL11B, SLC24A5 und ZFAND5 von Xmrk beeinflusst wird, während dies für die Gene G6PC, GAMT, SPP1 und TACC2 nicht zutrifft. Im Vergleich zu gesunder Haut werden GM2A, MAPK3, PDIA4, RASL11B, SLC24A5 und ZFAND5 in Tumoren höher exprimiert. Die Gene G6PC, GAMT, NID1, SPP1 und TACC2 werden dagegen verglichen mit gesunder Haut unverändert oder niedriger exprimiert. Die Bedeutung der erhöhten Genexpression lässt sich in vielen Fällen zurzeit nur theoretisch erfassen. Eine höhere Expression von SLC24A5 beispielsweise lässt vermuten, dass ein Zusammenhang zwischen der Melaninproduktion und der Zellproliferation besteht. Die Überexpression von GM2A weist dagegen auf eine Rolle von GM2A als Tumormarker hin. Dahingegen scheint die erniedrigte Expression von GAMT und G6PC Auskunft über den veränderten Stoffwechsel in Tumoren zu geben. Um diese Ergebnisse zu bestätigen und zu entschlüsseln wie genau Xmrk die Expression der getesteten Gene beeinflusst, sind allerdings noch weitere funktionelle Studien nötig. Generell kommt man zu dem Schluss, dass die Genexpression sich in jedem Tumor unterscheidet. Daher scheint jeder Tumor seinen eigenen Evolutionsweg zu beschreiten. / Target of this work is to get a better understanding in melanomagenesis and tumorprogression. Therefore a model of transgenic medakas (Oryzias latipes) was used, wich had the construct mitf::Xmrk as a stable, integrated transgen. Those fishes developed pigmentcelltumors that, wich where used in a microarrayanalysis. Of the results of this microarray 11 genes where chosen and analysed in this study. Those transgenic medakas which got xmrk injected, but without a tumorsuppresorgen, developed various pigmented kinds of skin cancer. Those tumors were analysed equally to their histiotyps. To get an idea, how Xmrk effects the transcription of several genes, which play an important role in tumor development and progression, pigmented skin cancer of transgenic medakas and for comparison, hyper pigmented skin of transgenic medakas and also lymphoma and healthy organs where tested. The following genes where tested by real-time-PCR: G6PC, GAMT, GM2A, MAPK3, NID1, SLC24A5, SPP1, PDIA4, RASL11B, TACC2 and ZFAND5. It was noticed that the expression of the genes GM2A, MAPK3, NID1, PDIA4, RASL11B, SLC24A5 und ZFAND5 gets modified by Xmrk. In contrast the genes G6PC, GAMT, SPP1 and TACC2 didn't. In comparison to healthy skin GM2A, MAPK3, PDIA4, RASL11B, SLC24A5 and ZFAND5 got higher expressed in tumors. Indeed the expression level of the genes G6PC, GAMT, NID1, SPP1 and TACC2 is the same or even lower than in healthy skin. The meaning of the higher gen expression can currently just be theoretically conceived. The higher expression of SLC24A5 for example leads to guess that there is a link between the production of melanin and cell proliferation. The overexpression of GM2A shows that GM2A plays maybe a role as an tumor marker. However the lower expression of G6PC and GAMT gets references about the metabolism in cancer. To fix this results and get an better understanding how Xmrk affects the expression of this genes, additional funktional studies are necessary. The result is that gene expression differs in each tumor. A common conclusion is not possible. It appears that each tumor goes its own evolutionary way.

Universiẗat, Diss., 2006--Frankfurt (Main).

(EN) Humans and cells in their bodies are exposed to various mutagens in their lifetime that cause DNA damage and mutations, which affect the biology and physiology of the target cell, and can lead to the expansion of an immortalized cell clone. Genome-wide massively parallel sequencing allows the identification of DNA mutations in the coding sequences (whole exome sequencing, WES), or even the entire genome of a tumour. Mutational signatures of individual mutagenic processes can be extracted from these data, as well as mutations in genes potentially important for cancer development ('cancer drivers', as opposed to 'passengers', which do not confer a comparative growth advantage to a cell clone). Many known mutational signatures do not yet have an attributed cause; and many known mutagens do not have an attributed signature. Similarly, it is estimated that many cancer driver genes remain to be identified. This Thesis proposes a system based on immortalization of mouse embryonic fibroblasts (MEF) upon mutagen treatment for modelling of mutational signatures and identification and testing of cancer driver genes and mutations. The signatures extracted from WES data of 25 immortalized MEF cell lines, which arose upon treatment with a variety of mutagens, showed that the assay recapitulates the...

Ovarialkarzinome haben aufgrund fehlender Frühsymptomatik und rascher intraperitonealer Ausbreitung eine sehr schlechte Prognose. Die Ausgangszellen für Ovarialkarzinome sind die Ovaroberflächenepithelien, die wahrscheinlich durch aufeinanderfolgende genetische Alterationen von Onkogenen und Tumorsuppressorgenen mit einer zentralen Rolle bei der Wachstumsregulation, in Karzinomzellen transformiert werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Funktion von zwei Rezeptortyrosinkinasen, des c-erbB-2 Onkogenproduktes und des Rezeptors für den insulin-ähnlichen Wachstumsfaktor, in Ovarialkarzinomzellen analysiert. Hierbei konnte gezeigt werden, daß über diese Rezeptoren in Ovarialkarzinomzellen Funktionen vermittelt werdem, die in vivo Tumorwachstum und Tumorprogression begünstigen können. Dies sind Zellproliferation, Transformation und Zellmotilität. Daher besteht vielleicht zukünftig die Möglichkeit die Hemmung dieser Rezeptortyrosinkinasen für die Therapie des Ovarialkarzinoms zu nutzen. Weiterhin wurden Änderungen des Genexpressionsprofils zwischen Normalovar und Ovarialkarzinomen durch eine Microarray-basierte Technik untersucht. Aufgrund dieser Daten konnte das Caveolin-1 Gen (CAV1) als wahrscheinliches Tumorsuppressorgen in Ovar und Weichgewebe charakterisiert werden. Das CAV1 Gen ist in Ovarialkarzinomen und Sarkomen wahrscheinlich reversibel durch epigenetische Mechanismen abreguliert und nicht durch genetische Mutationen (sog. Klasse II Tumorsuppressorgen). Es könnte in Zukunft möglich sein, Klasse II Suppressorgene wie CAV1 in Ovarialkarzinomen und Sarkomen wieder zu exprimieren und die Hemmung des Zellwachstums therapeutisch zu nutzen. / Ovarian cancer is the most lethal cancer of the female genital tract due to the notorious lack of early symptoms and rapid initial peritoneal spreading of the disease. The majority of ovarian carcinomas are believed to arise from the ovarian surface epithelium by subsequent genetic alterations of oncogenes and tumor suppressor genes that have an important role in cell growth regulation. In these studies, the function of the c-erbB-2 oncogene product and the insulin-like growth factor receptor I tyrosine kinases were analyzed in ovarian cancer cell lines. It is shown that these receptors are able to mediate functions in ovarian cancer cell lines that may increase tumor growth and tumor progression in vivo. The relevant functions enhanced are cell proliferation, transformation and tumor cell motility. Therefore, it may be possible to use the inhibition of receptor tyrosine kinases in future therapies of human ovarian cancer. In addition, the alterations of gene expression between normal ovary and serous ovarian cancer were analyzed using micro-array techniques. In these experiments the caveolin-1 gene (CAV1) was identified as a candidate tumor suppressor gene in the ovary and in soft tissues. The CAV1 gene is probably in-activated in ovarian carcinomas and soft tissue sarcomas by epigenetic mechanisms rather by genetic mutations. As defined by the reversible down-regulation of CAV1, it is likely to be an important class II tumor suppressor gene. It may be possible to up-regulate the expression of class II tumor suppressor genes like CAV1 in ovarian cancer and soft tissue sarcomas to use its growth inhibitory properties for future therapies.

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Numerous mutations contribute to tumorigenesis of cancer cells. For most of them it remains unclear whether they are driver or passenger mutations. A classic knock-out to study their function in cancer cells used to take a lot of effort. The CRISPR/Cas-system can be used as a programmable “genome editing” tool. In this work, oncogenes have been inactivated with the CRISPR/Cas-system. Considering off-targets, Streptococcus pyogenes sgRNAs can be designed for 88% of the known cancer mutations. The activity of 15 sgRNAs, targeting 13 mutations in proto-oncogenes (deletions, insertions and point mutations), has been tested with a RFP-GFP-reporter plasmid. For 13 sgRNAs, activity prediction scores correlated with measured activity. Furthermore, sgRNAs have shown preferential binding to mutated versions of targeted proto-oncogene sequence and did not induce double strand breaks in the wild type sequence. For 10 sgRNAs, the activity against their target sequence has been more than 4 times higher than against the wild type sequence. Most of those sgRNAs target insertions or deletions and fewer target point mutations. Permanent knock-out of three mutated proto-oncogenes NPM1, BRAF and PIK3CA has been achieved with a lentiviral expression of CRISPR/Cas. Accordingly, effects on proliferation and phenotype have been studied. Knock-out of NPM1 c.863_864insTCTG mutation has been studied in heterozygous mutated OCI AML3 cell line. Proliferation was strongly inhibited by the corresponding sgRNA. Cells arrested in G0/1-phase of cell cycle (77%) compared to control cells (56%), although no difference was observed for sub-G1 phase, indicating no induction of apoptosis. Cells treated with NPM1 sgRNA had 88% reduced expression of NPM1 c.863_864insTCTG mRNA as well as less cytoplasmic localization of nucleophosmin as assessed by immunostaining. The activity of sgRNA has been confirmed by deep sequencing, showing a shift of wild type to mutated allele ratio from 51:49 to 68:32. This effect was enhanced by the additional treatment with the NHEJ inhibitor SCR7. A BRAFV600E sgRNA was tested in homozygously mutated melanoma cell lines A-375 and SK MEL-28. No differences were detected in comparison to controls. However, in the CRC cell line RKO, heterozygous for BRAFV600E and PIK3CAH1047R, proliferation was inhibited through sgRNAs against either BRAF or PIK3CA. A combination of both had no synergistic effect on proliferation. Activity and specificity of the sgRNA targeting BRAF were confirmed by deep sequencing, while the PIK3CA sgRNA showed a moderate induction of double strand breaks also in the wild type allele. The relation of wild type to mutated allele of BRAF was changed from 32:68 before treatment to 51:49 afterwards. This effect can be explained by a “re mutation” to the wild type after DSB via HDR with wild type sister chromatid as template. This effect was observed for PIK3CA sgRNA to a lesser extent. In conclusion, these results show the applicability of the CRISPR/Cas-system for the inactivation of mutated proto-oncogenes.:List of tables III List of figures IV List of abbreviations V 1 Introduction 1 1.1 Cancer 1 1.2 Oncogenes 2 1.2.1 Role in cancer 2 1.2.2 Targeted therapies 3 1.2.3 NPM1 5 1.2.4 BRAF 6 1.2.5 PIK3CA 7 1.3 CRISPR/Cas-system 7 1.4 Aim and motivation 10 2 Material and Methods 11 2.1 Design of sgRNAs 11 2.2 Plasmids 11 2.3 Cell culture 12 2.4 FACS analysis 14 2.5 T7 assay 14 2.6 Cell cycle analysis 15 2.7 Immunostaining 15 2.8 Apoptosis assay 16 2.9 Quantification of mutant NPM1 transcripts 16 2.10 Deep sequencing 16 2.11 Statistical Analysis 19 3 Results 20 3.1 Design of sgRNAs targeting oncogenes 20 3.2 Evaluation of sgRNA efficacy and selectivity 23 3.3 Effects of oncogene knock-out in cancer cell lines 27 3.3.1 Targeting NPM1 in AML cells 27 3.3.2 Targeting BRAF in melanoma cells 30 3.3.3 Targeting BRAF and PIK3CA in colorectal carcinoma cells 31 4 Discussion 37 4.1 The design of sgRNAs is possible for most cancer mutations 37 4.2 sgRNAs targeting oncogenes have to be tested 37 4.3 Oncogenes can be knocked out with the CRISPR/Cas-system 37 4.3.1 NPM1 in AML cells 37 4.3.2 BRAF in melanoma cells 38 4.3.3 BRAF and PIK3CA in CRC cells 38 4.4 Advantages and disadvantages to target oncogenes with the CRISPR/Cas-system 40 4.5 Concluding remarks 41 5 Original Article 43 6 Summary 47 7 Zusammenfassung 49 List of references 51 Appendix VIII / In Krebszellen tritt eine Vielzahl von Mutationen auf. Für den Großteil der Mutationen ist ungeklärt, ob es sich um krebsverursachende oder passagere Mutationen handelt. Ein gezieltes Ausschalten (Knock-out) dieser Gene zur Untersuchung ihrer Funktion in Krebszellen war bisher mit großem Aufwand verbunden. Das CRISPR/Cas-System lässt sich als programmierbares „Genome-editing“ Werkzeug einsetzen und wurde in der vorliegenden Arbeit verwendet, um gezielt mutierte Protoonkogene zu inaktivieren. Für 88% der bekannten, in Krebszellen auftretenden Mutationen lassen sich, unter Berücksichtigung von off-targets, Streptococcus pyogenes sgRNAs entwerfen. Mit Hilfe eines RFP-GFP-Reporter-Plasmides wurde die Aktivität von 15 sgRNAs gegen 13 Mutationen (Deletionen, Insertionen und Punktmutationen) in Protoonkogenen überprüft. Für 13 der sgRNAs zeigte sich eine Aktivität, die mit der Vorhersage durch den Algorithmus korrelierte. Außerdem wurde gezeigt, dass die sgRNAs spezifisch genug binden, um zwar bei der mutierten Sequenz eines Protoonkogens, jedoch nicht bei der Wildtyp-Sequenz Doppelstrangbrüche zu erzeugen. Unter den sgRNAs waren 10 mit mehr als 4-fach höherer Aktivität bei komplett übereinstimmender Zielsequenz gegenüber der Wildtyp-Sequenz. Diese spezifischen sgRNAs waren vor allem gegen Insertions- oder Deletionsmutationen gerichtet, einige auch gegen Punktmutationen. Durch permanente, lentivirale Expression von CRISPR/Cas wurden die Effekte eines Knock-out von drei mutierten Protoonkogenen, NPM1, BRAF und PIK3CA, auf das Wachstum und phänotypische Aspekte humaner Krebszelllinien untersucht. Ein Knock-out der NPM1 c.863_864insTCTG Mutation wurde in heterozygot mutierten OCI AML3 Zellen untersucht, es zeigte sich eine starke Proliferationshemmung. In der Zellzyklusanalyse trat ein G0/1-Arrest dieser Zellen (77%) im Vergleich mit Kontroll-Zellen (56%) auf, jedoch keine Unterschiede in der sub-G1-Analyse, sodass nicht von einer vermehrten Apoptose auszugehen ist. Die mit sgRNA behandelten OCI-AML3 Zellen zeigten sowohl eine um 88% verminderte NPM1 c.863_864insTCTG mRNA-Expression als auch verminderte zytoplasmatische Sublokalisation des Nucleophosmins in der Immunfärbung. Die hohe Aktivität der gRNA gegen mutiertes NPM1 wurde durch Deep Sequencing bestätigt, außerdem hat sich das Verhältnis vom Wildtyp- zu mutiertem Allel von 51:49 zu 68:32 verschoben. Dieser Effekt wurde durch Zugabe des NHEJ-Hemmstoffes SCR7 noch verstärkt. Die sgRNA gegen BRAFV600E wurde in den homozygot mutierten Melanom-Zelllinien A-375 und SK-MEL-28 getestet. Bei Proliferationsversuchen zeigten sich keine Unterschiede im Vergleich zu Kontrollzellen. In der kolorektalen Krebszelllinie RKO, die heterozygot BRAFV600E und PIK3CAH1047R ist, zeigte sich bei der Testung von sgRNAs gegen BRAF, PIK3CA und Kombination beider sgRNAs eine Wachstumshemmung. Jedoch lag kein synergistischer Effekt bei sgRNA-Kombination vor. Zudem bestätigten sich Aktivität und Spezifität der sgRNA gegen BRAF im Deep Sequencing, während die sgRNA gegen PIK3CA in mäßigem Umfang Doppelstrangbrüche im Wildtyp-Allel verursachte. Das Verhältnis vom Wildtyp- zu mutiertem BRAF Allel verschob sich von 32:68 ohne sgRNA zu 51:49 nach sgRNA-Behandlung. Eine mögliche Erklärung dieser Beobachtung ist die Rückmutation zum Wildtyp-Allel nach Doppelstrangbruch mit Hilfe homologer Rekombination durch das Wildtyp-Schwesterchromatid. Für PIK3CA konnte dieser Effekt in schwächerem Ausmaß ebenfalls beobachtet werden. Zusammengefasst zeigen diese Ergebnisse, dass das CRISPR/Cas-System zur Inaktivierung mutierter Protoonkogene genutzt werden kann.:List of tables III List of figures IV List of abbreviations V 1 Introduction 1 1.1 Cancer 1 1.2 Oncogenes 2 1.2.1 Role in cancer 2 1.2.2 Targeted therapies 3 1.2.3 NPM1 5 1.2.4 BRAF 6 1.2.5 PIK3CA 7 1.3 CRISPR/Cas-system 7 1.4 Aim and motivation 10 2 Material and Methods 11 2.1 Design of sgRNAs 11 2.2 Plasmids 11 2.3 Cell culture 12 2.4 FACS analysis 14 2.5 T7 assay 14 2.6 Cell cycle analysis 15 2.7 Immunostaining 15 2.8 Apoptosis assay 16 2.9 Quantification of mutant NPM1 transcripts 16 2.10 Deep sequencing 16 2.11 Statistical Analysis 19 3 Results 20 3.1 Design of sgRNAs targeting oncogenes 20 3.2 Evaluation of sgRNA efficacy and selectivity 23 3.3 Effects of oncogene knock-out in cancer cell lines 27 3.3.1 Targeting NPM1 in AML cells 27 3.3.2 Targeting BRAF in melanoma cells 30 3.3.3 Targeting BRAF and PIK3CA in colorectal carcinoma cells 31 4 Discussion 37 4.1 The design of sgRNAs is possible for most cancer mutations 37 4.2 sgRNAs targeting oncogenes have to be tested 37 4.3 Oncogenes can be knocked out with the CRISPR/Cas-system 37 4.3.1 NPM1 in AML cells 37 4.3.2 BRAF in melanoma cells 38 4.3.3 BRAF and PIK3CA in CRC cells 38 4.4 Advantages and disadvantages to target oncogenes with the CRISPR/Cas-system 40 4.5 Concluding remarks 41 5 Original Article 43 6 Summary 47 7 Zusammenfassung 49 List of references 51 Appendix VIII

Tumormodelle, in denen die maligne Transformation durch definierte Onkogene experimentell ausgelöst und unterhalten wird, bieten vielfältige Möglichkeiten, die komplexen Mechanismen der Tumorentstehung und Therapieresistenz zu untersuchen und neue Ansätze für Diagnostik und Therapie auszuarbeiten. KRAS-Onkogen-„getriebene“ Transformationsmodelle spiegeln neben anderen tumorspezifischen Veränderungen insbesondere die charakteristischen Änderungen des Transkriptoms wider. In der vorliegenden Arbeit wird ein Modell für Ovarialtumore auf Grundlage von Rose Zellen („Rat ovarian surface epithelium“) verwendet, um die Rolle von Transkriptionsfaktoren, welche durch die KRAS-vermittelte Signaltransduktion hoch reguliert werden, zu untersuchen. Die KRAS-transfomierten Derivate der normalen Rose Zellen zeigen die typischen Merkmale von ankerunabhängigen und invasiven Tumorzellen. Aufgrund der hohen Komplexität sind die Interaktionen zwischen der zytoplasmatischen Signaltransduktion und dem durch sie regulierten Transkriptionsfaktornetzwerk noch weitgehend unverstanden. Die Transkriptionsfaktoren Fosl1, Hmga2, Klf6, JunB, Otx1, Gfi1 und RelA wurden systematisch mittels RNA-Interferenz in KRAS-transformierten Rose Zellen transient ausgeschaltet. Danach wurden Proliferation, Morphologie (epithelial-mesenchymale Transition, EMT) und Ankerunabhängigkeit der Zellen bestimmt. Alle untersuchten Transkriptionsfaktoren beeinflussten die KRAS-induzierten morphologischen Veränderungen teilweise, belegt durch die Abnahme der EMT-Merkmale nach siRNA-vermittelter Ausschaltung. Der Knock-down der Transkriptionsfaktoren Otx1, Gfi1 und RelA hemmte die Proliferation, während Fosl1, Hmga2, Klf6 und JunB die generelle Proliferationsfähigkeit nicht beeinflussten, jedoch spezifisch die ankerunabhängige Proliferation blockierten. Diesen Faktoren kommt daher eine spezifische Funktion in der neoplastischen Transformation zu, da die Ankerunabhängigkeit sehr gut mit der Tumorigenität korreliert ist. Um die Beteiligung der Transkriptionsfaktoren an der Deregulation von Zielgenen zu erfassen, wurden Genexpressionsmuster aller Zellen, in denen jeweils ein Faktor durch siRNA ausgeschaltet war, mittels Microarray-Analyse identifiziert. Auf dieser Grundlage wurde ein Netzwerk-Modell der regulatorischen Interaktionen zwischen den Transkriptionsfaktoren berechnet. Die Existenz der beiden funktionellen Gruppen wurde im Modell bestätigt. Darüber hinaus zeigte sich eine gegenseitige Abhängigkeit des transkriptionellen Netzwerks und der zytoplasmatischen Signaltransduktion, gemessen mittels Proteinanalyse der mitogenabhängigen Signalkinasen (MAPK). Diese wird als kompensatorische Regulation interpretiert, welche trotz Pertubation, experimentell durch siRNA, das effiziente Überleben der transformierten Zellen sicherstellt. Die vorliegende Studie schafft somit die Voraussetzung und Motivation, das reduzierte Netzwerk aus sieben Komponenten auf alle differentiell exprimierten Transkriptionsfaktoren zu erweitern. Möglicherweise behindern solche Regulationskreise in der klinischen Situation die effektive Wirkung zielgerichteter Therapien. / Tumor models, in which malignant transformation was experimentally triggered and maintained through defined oncogenes, offer manifold opportunities to determine the complex mechanisms of tumor progression and resistance to therapies, and to develop new strategies for diagnosis and therapy. Particularly, KRAS oncogene driven models of transformation reflect the characteristic alterations of the transcriptome, among other tumor specific changes. In the present work a model for ovarian cancer based on Rose („Rat ovarian surface epithelium“) cells has been used to evaluate the role of transcription factors, which are up-regulated through KRAS dependent signaling. The KRAS transformed derivates of normal ROSE cells exhibit typical characteristics of anchorage-independent and invasive tumor cells. Due to the high complexity of cellular networks, the interactions between cytoplasmic signalling and their regulated transcription factors are not well understood. The transcription factors Fosl1, Hmga2, Klf6, JunB, Otx1, Gfi1 and RelA were systematically eliminated by transient RNA interference in KRAS transformed ROSE cells. The proliferation, morphology (epithelial-mesenchymal transition, EMT) and anchorage-independence of the cells were determined. All of the selected transcription factors had partial effect on the KRAS induced morphologic changes, documented by reduction of EMT-properties after siRNA treatment. The knock-down of the transcription factors Otx1, Gfi1 and RelA blocked proliferation in general, whereas Fosl1, Hmga2, Klf6 and JunB had no influence on proliferation but specifically blocked the anchorage-independence. Thus, these factors exhibited essential functions in the process of neoplastic transformation, because the anchorage-independence correlates very well with tumorigenicity. In order to elucidate the involvement of the transcription factors in the genetic deregulation of their target genes, microarray based gene expression profiles were determined from all cells in which one factor was eliminated by siRNA. Based on these data, a network model of regulatory interactions among these transcription factors was calculated. The existence of both functional groups was confirmed by the model. Furthermore, an interdependence of the transcriptional networks and cytoplasmatic signaling was observed by protein analysis of the mitogen dependent signal kinases (MAPK). This was interpreted as compensatory regulation, which in spite of experimental perturbation by siRNA, permitted efficient survival of the transformed cells. Thus, the present work provides the basis and motivation to extend the reduced network composed of seven components to all regulated transcription factors. Potentially, such regulatory networks diminish the efficacy of targeted therapies in clinical situations.