Description of the cell cycle features of neural progenitors during late stages of neurogenesis in a gyrencephalic mammal, the ferret.

The eukaryotic cell cycle orchestrates the precise duplication and distribution of the genetic material, cytoplasm and membranes to daughter cells. In multicellular eukaryotes, cell cycle regulation also governs various organisatorial processes ranging from gametogenesis over multicellular development to tissue formation and repair. Consequently, defects in cell cycle regulation provoke a variety of human cancers. A global view of genes and pathways governing the human cell cycle would advance many research areas and may also deliver novel cancer targets. Therefore this work aimed on the genome-wide identification and systematic characterisation of genes required for cell cycle progression in human cells. I developed a highly specific and efficient RNA interference (RNAi) technology to realize the potential of RNAi for genome-wide screening of the genes essential for cell cycle progression in human tissue culture cells. This approach is based on the large-scale enzymatic digestion of long dsRNAs for the rapid and cost-efficient generation of libraries of highly complex pools of endoribonuclease-prepared siRNAs (esiRNAs). The analysis of the silencing efficiency and specificity of esiRNAs and siRNAs revealed that esiRNAs are as efficient for mRNA degradation as chemically synthesized siRNA designed with state-of-the-art design algorithms, while exhibiting a markedly reduced number of off-target effects. After demonstrating the effectiveness of this approach in a proof-of-concept study, I screened a genome-wide esiRNA library and used three assays to generate a quantitative and reproducible multi-parameter profile for the 1389 identified genes. The resulting phenotypic signatures were used to assign novel cell cycle functions to genes by combining hierarchical clustering, bioinformatics and proteomic data mining. This global perspective on gene functions in the human cell cycle presents a framework for the systematic documentation necessary for the understanding of cell cycle progression and its misregulation in diseases. The identification of novel genes with a role in human cell cycle progression is a starting point for an in-depth analysis of their specific functions, which requires the validation of the observed RNAi phenotype by genetic rescue, the study of the subcellular localisation and the identification of interaction partners of the expressed protein. One strategy to achieve these experimental goals is the expression of RNAi resistant and/or tagged transgenes. A major obstacle for transgenesis in mammalian tissue culture cells is the lack of efficient homologous recombination limiting the use of cultured mammalian cells as a real genetic system like yeast. I developed a technology circumventing this problem by expressing an orthologous gene from a closely related species including its regulatory sequences carried on a bacterial artificial chromosome (BAC). This technology allows physiological expression of the transgene, which cannot be achieved with conventional cDNA expression constructs. The use of the orthologous gene from a closely related species confers RNAi resistance to the transgene allowing the depletion of the endogenous gene by RNAi. Thus, this technology mimics homologous recombination by replacing an endogenous gene with a transgene while maintaining normal gene expression. In combination with recombineering strategies this technology is useful for RNAi rescue experiments, protein localisation and the identification of protein interaction partners in mammalian tissue culture cells. In summary, this thesis presents a major technical advance for large-scale functional genomic studies in mammalian tissue culture cells and provides novel insights into various aspects of cell cycle progression. (Die Druckexemplare enthalten jeweils eine CD-ROM als Anlagenteil: 217 MB: Movies, Rohdaten - Nutzung: Referat Informationsvermittlung der SLUB)

Meiosis is a specialized cell cycle, which generates haploid gametes from diploid parental cells. During meiosis one round of cohesion establishment during premeiotic DNA replication mediates two rounds of chromosome segregation. During meiosis I homologous chromosomes separate, whereas sister chromatids segregate during the second meiotic division without an intervening round of DNA replication. Both rounds of chromosome segregation are triggered by an ubiquitin ligase called the Anaphase-Promoting Complex or Cyclosome (APC/C). APC/C-dependent destruction of securin/Pds1 is required to activate separase, a thiol protease that mediates chromosome segregation by cleavage of the cohesin complex. The first meiotic division is preceded by an extended prophase I, during which maternal and paternal chromatids undergo recombination. The persistence of cohesion during premeiotic S- and prophase I is essential for recombination and both meiotic nuclear divisions. In order to prevent premature loss of cohesion, the APC/C has to be inactivated during early meiosis. How the APC/C is kept inactive during premeiotic S- and prophase I was unknown. This question has been addressed by studying the APC/C subunit Mnd2 from the budding yeast Saccharomyces cerevisiae. This work demonstrates that Mnd2 is required for the persistence of cohesion during premeiotic S- and prophase I. Mnd2 prevents premature activation of the APC/C by the meiosis-specific substrate recognition factor Ama1. In cells lacking Mnd2, the APC/C-Ama1 enzyme triggers premature ubiquitin-dependent degradation of Pds1, which leads to premature separation of sister chromatids due to an unrestrained activity of separase. Thus, chromosome segregation during meiosis depends on both inhibition of a meiosis-specific APC/C and timely activation of APC/C- dependent proteolysis. / Die Meiose ist ein spezialisierter Zellzyklus, der zum Ziel hat haploide Gameten aus diploiden Vorläuferzellen zu produzieren. Dafür erfolgen nach der prä-meiotischen DNA Replikation zwei aufeinanderfolgende Kernteilungen. In der ersten meiotischen Teilung erfolgt die Trennung der homologen Chromosomen. In einer zweiten meiotischen Teilung werden dann die Schwesterchromatiden getrennt. Die Trennung der Chromosomen wird durch den Anaphase-Promoting Complex oder Cyclosome (APC/C), einer Ubiquitin Ligase, reguliert. Der APC/C initiiert den Abbau von Securin/Pds1, einem Inhibitor der Thiol-Protease Separase, welche für die Trennung der Chromosomen zum Beginn der Anaphase verantwortlich ist. In einer im Vergleich zur Mitose extrem langen meiotischen Prophase I findet Rekombination zwischen maternalen und paternalen Chromosomen statt. Für diesen Vorgang, sowie für die beiden folgenden meiotischen Teilungen, wird Kohäsion zwischen den Schwesterchromatiden benötigt. Ein frühzeitiger Verlust der Kohäsion führt zur frühzeitigen Trennnung der Schwesterchromatiden, wodurch aneuploide Gameten produziert werden können. Daher muss die Aktivität des APC/C während der meiotischen Prophase I inhibiert werden. Wie der APC/C während der Prophase I inaktiviert wird, war bisher unbekannt. Einsicht in dieses Problem ergab sich aus der Untersuchung der APC/C Untereinheit Mnd2 aus der Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae. Es wird gezeigt, dass Mnd2 für den Verbleib der Kohäsion zwischen den Schwesterchromatiden während der meiotischen S- und Prophase I benötigt wird. Während dieser Phase verhindert Mnd2 die frühzeitige Aktivierung der Meiose-spezifischen Form des APC/C-Ama1. In meiotischen Zellen, die kein Mnd2 besitzen, löst das APC/C-Ama1 Enzym die Ubiquitin-abhängige Zerstörung von Pds1 aus. Dies führt zu einer frühzeitigen Aktivierung von Separase, welches die Trennung der Schwesterchromatiden schon während der meiotischen S- und Prophase I zur Folge hat. Die korrekte Verteilung der Chromosomen hängt daher sowohl von der Inhibierung als auch der Aktivierung des APC/C ab.

Die vorliegende Arbeit beinhaltet umfangreiche histologische Untersuchungen an verschiedenen Tumoren bezüglich ihrer Infiltration durch Makrophagen-Subpopulationen, Granulozyten und Lymphozyten. Hierfür wurden 18 Gewebe-Mikroarrays mit jeweils 200 - 300 Tumorstanzen aus insgesamt 27 Organen des Gastrointestinaltraktes, des Urogenitaltraktes, des Respirationssystems und des endokrinen Systems angefertigt. Da alle Proben mit derselben Technik (Gewebe-Mikroarrays, Immunhiostochemie) ausgewertet wurden, bestand nun erstmalig die Möglichkeit eines direkten Vergleiches zwischen den verschiedenen Tumoren unterschiedlicher Organe. Für die immunhistochemischen Untersuchungen wurden fünf verschiedene Antikörper (anti-KP1, anti-PG-M1, anti-MRP8, anti-MRP14, anti-MRP8/14) eingesetzt. Die Antikörper gegen die Epitope PG-M1 und KP1 gelten als Pan-Makrophagen-Marker. Die Antikörper anti-MRP8, anti-MRP14 und anti-MRP8/14 gelten als Marker für entzündlich aktivierte Makrophagen. Diese Makrophagen wurden in einen aktiven inflammatorischen Typ (MRP14+, MRP8/14+), der proinflammatorische Zytokine wie TNF-a und Sauerstoffradikale bildet, und in einen chronisch inflammatorischen Typ (MRP8+) eingeteilt. Die Formation des MRP8/14-Heterodimers korreliert mit der zellulären Aktivierung wie z. B. mit der Aktivierung der NADPH-Oxidase. Es wurde beschrieben, dass diese Makrophagen auf Grund ihrer Eigenschaften eventuell die Tumorzellproliferation inhibieren und zytotoxische Wirkungen auf Tumorzellen ausüben können. Für die verschiedenen Tumorgewebe wurden höhere Makrophagendichten im Vergleich zum Normalgewebe und eine vergleichsweise geringe Dichte an MRP+ Makrophagen sowie signifikante Korrelationen zwischen den verschiedenen Makrophagen-Subpopulationen festgestellt. Die Dichte der Lymphozyten korrelierte negativ mit steigendem Tumorzellanteil und mit fortgeschrittenem Tumorstadium. Die Abnahme der Lymphozyten (Gastrointestinal- und Respirationstrakt) im Tumorgewebe im Vergleich zum tumorfreien Gewebe sowie die geringe Anzahl der potenziell tumoriziden MRP8/14+ Makrophagen lässt vermuten, dass die Immunantwort gegen den Tumor unterdrückt wird. Die positive Assoziation zwischen Makrophagen und Lymphozyten weist jedoch darauf hin, dass Makrophagen nicht am Rückgang der Lymphozyten beteiligt sind . Eine Korrelation der Makrophagen mit klinisch relevanten Parametern (pT-Stadium, UICC-Stadium, Lymphknotenmetastasen) zeigten ein voneinander abweichendes Infiltrationsmuster der CD68+ und MRP+ Makrophagen, was auf unterschiedliche Funktionen hinweist. Ferner liegen zahlreichen funktionelle Untersuchungsergebnisse anderer Arbeitsgruppen vor, welche darauf hinweisen, dass Makrophagen durch Hypoxie angezogen werden und im hypoxischen Tumorgewebe schließlich an der Neubildung von Blut- und Lymphgefäßen beteiligt sind. Um einen möglichen Zusammenhang zu zeigen, wurde mit den Antikörpern anti-CD31 und anti-CD34 die Gefäßdichte in Tumoren untersucht. Es zeigten sich zahlreiche positive Korrelationen zwischen Gefäßen und Makrophagen, jedoch konnte in den tumorfreien Geweben kein Zusammenhang zwischen beiden Größen gefunden werden. Das Vorkommen größerer Makrophagendichten in Tumoren mit wenig Nekrose als in Tumoren ohne Nekrose, die positive Korrelation zwischen der Anzahl der Gefäße und der Zahl der Makrophagen in Tumoren und die Unabhängigkeit von Makrophagen und Gefäßen im tumorfreien Gewebe legt die Vermutung nahe, dass TAM die Angiogenese begünstigen. Trotz vieler ähnlicher Charakteristika zwischen den Tumoren unterschiedlichen Ursprungsgewebes wurden auch Unterschiede festgestellt, die besonders die Anzahl der Makrophagen-Subpopulationen betreffen. Weitere Studien zur Aufklärung der Funktion unterschiedlicher Makrophagen-Subpopulationen (z. B. Immunsuppression, Neoangiogenese) sind notwendig, um deren Relevanz für das Tumorwachstum und die Tumorprogression aufzuklären.