TY  - THES
A1  - Krämer, Franziska
T1  - Molecular and Biochemical Investigations into VMD2, the gene associated with Best Disease
T1  - Molekulare und biochemische Untersuchungen zur Charakterisierung des Morbus Best Gens, VMD2
N2  - Best disease (OMIM 153700) is an early-onset, autosomal dominant maculopathy characterized by egg yolk-like lesions in the central retina. The disease gene, the vitelliform macular dystrophy gene type 2 (VMD2), encodes a 585-aa VMD2 transmembrane protein, termed bestrophin. The protein is predominantly expressed on the basolateral side of the retinal pigment epithelium (RPE) and is thought to be involved in the transport of chloride ions. Bestrophin as well as three closely related VMD2-like proteins (VMD2L1-L3) contain multiple putative transmembrane (TM) domains and an invariant tripeptide (RFP) motif in the N-terminal half of the protein. This and the tissue-restricted expression to polarized epithelial cells are typical features of the VMD2 RFP-TM family. Best disease is predominantly caused by missense mutations, clustering in four distinct „hotspots“ in the evolutionary highly conserved N-terminal region of the protein. To further augment the spectrum of mutations and to gain novel insights into the underlying molecular mechanisms, we screened VMD2 in a large cohort of affected patients. In total, nine novel VMD2 mutations were identified, raising the total number of known Best disease-related mutations from 83 to 92. Eight out of nine novel mutations are hotspot-specific missense mutations, underscoring their functional/structural significance and corroborating the dominant-negative nature of the mutations. Of special interest is a one-basepair deletion (Pro260fsX288) encoding a truncated protein with a deletion of an important functional domain (TM domain four) as well as the entire C-terminal half of bestrophin. For the first time, a nonsense mutation leading to a 50 % non-functional protein has been identified suggesting that on rare occassions Best disease may be caused by haploinsufficiency. Molecular diagnostics strongly requires a reliable classification of VMD2 sequence changes into pathogenic and non-pathogenic types. Since the molecular pathomechanism is unclear at present, the pathogenicity of novel sequence changes of VMD2 are currently assessed in light of known mutations. We therefore initiated a publicly accessible VMD2 mutation database (http://www.uni-wuerzburg.de/humangenetics/vmd2.html) and are collecting and administrating the growing number of mutations, rare sequence variants and common polymorphisms. Missense mutations may disrupt the function of proteins in numerous ways. To evaluate the functional consequences of VMD2 mutations in respect to intracellular mislocalization and/or protein elimination, a set of molecular tools were generated. These included the establishment of an in vitro COS7 heterologous expression assay, the generation of numerous VMD2 mutations by site-directed mutagenesis as well as the development of bestrophin-specific antibodies. Surprisingly, membrane fractionation/Western blot experiments revealed no significant quantitative differences between intact and mutant bestrophin. Irrelevant of the type or location of mutation, incorporation of mutant bestrophin to the membraneous fraction was observed. Thus, impaired membrane integration may be ruled out as causative pathomechanism of Best disease consistent with a dominant-negative effect of the mutations. In a different approach, efforts were directed towards identifying and characterizing the VMD2 RFP-TM protein family in mouse. While clarification of the genomic organization of murine Vmd2 was required as basis to generate Vmd2-targeted animals (see below), the study of closely related proteins (Vmd2L1, Vmd2L2 and Vmd2L3) may provide further clues as to the function of bestrophin. For this, biocomputational as well as RT PCR analyses were performed. Moreover, the novel genes were analyzed by real time quantitative RT PCR, displaying predominant expression in testis, colon and skeletal muscle of Vmd2, Vmd2L1 and Vmd2L3 transcripts, respectively as well as in eye tissue. Interestingly, neither an ORF was determined for murine Vmd2L2 nor was the transcript present in a panel of 12 mouse tissues, suggesting that murine Vmd2L2 may represent a functionally inactive pseudogene. The murine Vmd2L3 gene, as its human counterpart, is a highly differentially spliced transcript. Finally, generating mouse models of Best disease will provide essential tools to investigate the pathophysiology of bestrophin in vivo. We have initiated the generation of two different mouse lineages, one deficient of Vmd2 (knock-out) and the other carrying a human disease-related mutation (Tyr227Asn) in the orthologous murine gene (knock-in). Genetic engineering of both constructs has been achieved and presently, four ES clones harboring the homologous recombination event (Vmd2+/-) have been isolated and are ready for the subsequent steps to generate chimeric animals. The resulting mouse lineages will represent two key models to elucidate the functional role of bestrophin in Best disease, in RPE development and physiology.
N2  - Morbus Best (OMIM 153700) ist eine autosomal dominant vererbte Makulopathie mit juvenilem Beginn. Charakteristisch sind Eidotter-ähnliche Läsionen im zentralen Bereich der Retina. Das krankheitsverursachende Gen, das vitelliforme Makuladystrophie-Gen Typ 2 (VMD2), kodiert für ein 585 Aminosäuren langes Transmembranprotein. Das als Bestrophin bezeichnete Protein ist vorwiegend auf der basolateralen Seite des retinalen Pigmentepithels (RPE) exprimiert und wahrscheinlich am Transport von Chloridionen beteiligt. Bestrophin wie auch die drei eng-verwandten VMD2-ähnlichen Proteine (VMD2L1-L3) gehören zur Familie der VMD2 RFP-TM Proteine und sind durch putative Transmembrandomänen (TM) und ein invariantes Tripeptid (RFP) gekennzeichnet. Morbus Best wird hauptsächlich durch „missense“ Mutationen verursacht die in vier Bereichen („hotspots“) akkumulieren. Um das Mutationsspektrum zu erweitern und darüber hinaus den zugrundeliegenden molekularen Mechanismus weitergehend aufzuklären, wurde das VMD2 Gen in betroffenen Patienten untersucht. Insgesamt wurden neun bisher nicht beschriebene Mutationen identifiziert, wodurch sich die Anzahl der bekannten krankheitsassoziierten Mutationen auf 92 erhöhte. Wie die meisten der bisher bekannten Mutationen befinden sich acht „missense“ Mutationen in den sogenannten „hotspots“ des Gens. Dies unterstreicht die funktionelle bzw. strukturelle Bedeutung der betroffenen Regionen sowie den dominant-negativen Effekt der Mutationen. Bemerkenswert ist eine atypische 1-Basenpaar-Deletion (Pro260fsX288) in Exon 7. Denn erstmals wurde eine „nonsense“ Mutation im VMD2 Gen identifiziert, die 50 % nicht-funktionelles Protein zur Folge hat. In seltenen Fällen scheint daher die durch „nonsense“ Mutationen bedingte Haploinsuffizienz der Krankheit zugrunde liegen. Die molekulare Diagnostik verlangt eine zuverlässliche Einteilung der VMD2 Sequenzänderungen in pathogene und nicht-pathogene Gruppen. Da der molekulare Pathomechanismus zurzeit weitgehend ungeklärt ist, wird die Pathogenität neuer Sequenzänderungen aufgrund bereits bekannter Mutationen eingestuft. Es wurde daher eine öffentlich zugängliche VMD2 Mutationsdatenbank eingerichtet (http://www.uni-wuerzburg.de/humangenetics/vmd2.html), in der die wachsende Zahl an Mutationen, Sequenzvarianten und Polymorphismen gesammelt und verwaltet wird. „Missense“ Mutationen können die Proteinfunktion auf verschiedene Weise beeinträchtigen. Geeignete molekulare Assays wurden daher etabliert, um die funkionellen Auswirkungen der VMD2 Mutationen in Hinblick auf die intrazelluläre Lokalisation zu untersuchen. In der vorliegenden Arbeit wurde ein heterologes COS7 Expressionssystem entwickelt, es wurden verschiedene Mutationen mittels „site-directed mutagenesis“ generiert sowie Bestrophin-spezifische Antikörper hergestellt. Überraschenderweise konnte anhand von Membranfraktionierungs- und Westernblot-Analysen keine signifikanten quantitativen Unterschiede zwischen intakten und mutierten Bestrophin nachgewiesen werden. Unabhängig von Art oder Position der Mutation konnte der Einbau von mutiertem Bestrophin in die Membran gezeigt werden. Die Experimente deuten erstmalig darauf hin daß eine fehlerhafte Membranintegration als kausaler krankheitsverursachender Mechanismus ausgeschlossen werden kann. Dies liegt in Übereinstimmung mit dem dominant-negativen Effekt der Mutationen. In einem alternativen Ansatz wurde die VMD2 RFP-TM Proteinfamilie im Mausgenom identifiziert und charakterisiert. Während die Aufklärung der genomischen Struktur des Vmd2 Gens die Grundlage zur Herstellung Vmd2 transgener Mäuse darstellte (siehe unten), gewährte die Charakterisierung der eng verwandten Vmd2L1-L3 Mausgene weitere Einblicke in die Funktion des Bestrophins. Hierzu wurden bioinformatische sowie RT PCR Analysen durchgeführt. Darüber hinaus wurde die präferientielle Expression der jeweiligen Transkripte in Testis, Kolon und Skelettmuskel sowie Augengewebe anhand von „real-time quantitative“ RT PCR nachgewiesen. Interessanterweise stellt Vmd2L2 wahrscheinlich ein funktionell inaktives Pseudogen dar. Ähnlich wie sein humanes Gegenstück wird das Maus Vmd2L3- Transkript auf mRNA Ebene differentiell prozessiert. Mausmodelle für Morbus Best stellen grundlegende Hilfsmittel dar, die Pathophysiology von Bestrophin in vivo zu untersuchen. Es wurde die Herstellung zweier verschiedener Mauslinien initiiert: zum einen ein Vmd2-defizientes „knock-out“ Modell, zum anderen eine „knock-in“ Maus, die eine humane krankheitsassoziierte Mutation (Tyr227Asn) im mausorthologen Gen trägt. Die entsprechenden Konstrukte wurden hergestellt und in ES Zellen eingeschleust. Ausgehend von bislang vier isolierten ES Klonen, die den Vmd2+/- Genotyp tragen, können nun in nachfolgenden Schritten chimäre Tiere generiert werden. Die resultierenden Mauslinien repräsentieren neue experimentelle Ansätze, die funktionelle Rolle des Bestrophins in Morbus Best sowie in der Entwicklung und Physiologie des RPEs aufzukären.
KW  - Best-Krankheit
KW  - Genmutation
KW  - Morbus Best
KW  - BMD
KW  - VMD2
KW  - Makuladegeneration
KW  - Mausmodell
KW  - Best Disease
KW  - BMD
KW  - VMD2
KW  - macular degeneration
KW  - mouse model
Y1  - 2003
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-5761
ER  - 
TY  - THES
A1  - Gehrig, Andrea
T1  - Untersuchungen zu den molekularen Ursachen der X-gebundenen juvenilen Retinoschisis - vom Gendefekt zum Mausmodell
T1  - Molecular studies of X-linked juvenile Retinoschisis - from gene defect to the mouse model
N2  - Hereditäre Netzhautdegenerationen betreffen weltweit etwa 15 Millionen Menschen. Sie sind klinisch und genetisch auffällig heterogen. Bisher wurden 139 verschiedene chromosomale Genorte mit Netzhautdystrophien assoziiert, wovon inzwischen 90 Gene identifiziert werden konnten. Mit Hilfe verschiedener Klonierungsstrategien konnte in der vorgelegten Arbeit ein Beitrag zur Aufklärung der genetischen Ursachen einiger ausgewählter Retinopathien geleistet werden. So konnte durch die Positionsklonierung das Gen, das mit der X-gebundenen juvenilen Retinoschisis (RS) assoziiert ist, identifiziert werden. Funktionelle Analysen des Genproduktes sowie die Generierung eines Mausmodells der RS geben einen Einblick in die Physiologie der Retina sowie den Pathomechanismus der Erkrankung. Die genomische Organisation des Interphotorezeptor-Matrixproteoglykans-1 (IMPG1) wurde aufgeklärt und die chromosomale Lokalisation auf 6q13-15 bestimmt. Damit kartierte das Gen in eine Region, in die die Genorte für 7 Retinopathien des Menschen kartiert wurden. Durch Kopplungs- und Mutationsanalysen konnten unsere Arbeiten ausschließen, daß IMPG1 mit North Carolina Makuladystrophie (MCDR1) oder der progressiven bifokalen chorioretinalen Atrophie (PBCRA) in Zusammenhang steht. Die Diacylglycerin Kinase-3 (DAGK3) konnte nach der Bestimmung der genomischen Organisation in die Region 3q27-28 kartiert werden. Dieser chromosomale Abschnitt deckt sich mit der chromosomalen Lokalisation der autosomal dominanten Optikusatrophie (OPA1). Auch hier konnte mit Hilfe von Mutationsanalysen ein Ausschluß des Gens erfolgen. Die X-gebundene juvenile Retinoschisis ist eine häufige Ursache juveniler Makula-degenerationen und betrifft etwa 300.000 junge Männer weltweit. Charakteristische Kennzeichen der Erkrankung sind Aufspaltungen in den inneren Netzhautschichten, die zu zystischen Veränderungen der zentralen Retina führen. Ungefähr 50 % der Patienten entwickeln auch periphere Manifestationen. Durch die Arbeit unserer und anderer Forschergruppen konnte der Krankheitslokus in einen etwa 900 kb großen Bereich auf dem kurzen Arm des X-Chromosoms (Xp22.2) kartiert werden. Durch einen Vergleich der genomischen DNA Sequenzen mit öffentlich zugänglichen ESTs (expressed sequence tags) konnte ein retinaspezifisches Transkript identifiziert werden. Es besteht aus 6 Exonen und kodiert für ein putatives 224 Aminosäuren großes Protein, das sekretiert wird und ein hochkonserviertes Discoidindomänen-Motiv enthält. Discoidindomänen sind in Zelladhäsion oder in Zell-Zell Interaktionen involviert. Mutationsanalysen in RS-Patienten bestätigten, daß es sich bei diesem Transkript um RS1, d.h. um das krankheitsassoziierte Gen der X-gebundenen juvenilen Retinoschisis handelte. Das RS1-Protein (Retinoschisin) kommt in homo-oligomeren Komplexen, die über Disulfidbrücken miteinander verbunden sind, auf der Zelloberfläche der Photorezeptoren und der Bipolaren sowie in den synaptischen Regionen der äußeren (OPL) und innere plexiformen Schicht (IPL) vor. Um die Funktion des normalen Retinoschisins zu untersuchen und um einen Einblick in die RS-Pathogenese zu bekommen, wurde nach der Charakterisierung des orthologen murinen Gens (Rs1h) eine Retinoschisin-defiziente knock-out Maus generiert. Ophthalmologische und histologische Untersuchungen der Rs1h-/Y-Maus zeigen signifikante Parallelen zu dem RS-Erkrankungsbild des Menschen. Damit stellt die Rs1h knock-out Maus ein ideales Tiermodell für die Untersuchung des zugrundeliegenden Krankheitsmechanismusses dar. So konnten wir inzwischen zeigen, daß apoptotische Prozesse zur Degeneration der Photorezeptoren führen. Gegenwärtig werden mit diesem Tiermodell erste gentherapeutische Versuche durchgeführt. Diese Arbeiten sollen Aufschluß darüber geben, ob ein Adeno-assoziierter Virus (AAV)-Transfer des RS1 Gens in die erkrankte Retina ein möglicher Therapieansatz für RS auch beim Menschen sein könnte.
N2  - The World Health Organization (WHO) estimates that worldwide approximately 15 million people are affected with hereditary retinal degenerations. Retinal dystrophies are clinically and genetically heterogeneous. To date, 90 retinal disease genes have been identified and of 139 retinal disease genes the chromosomal location is known. In this study, different strategies of disease gene cloning were utilized to elucidate the underlying genetic defects of selected retinopathies. This has led to the identification of the gene associated with X-linked juvenile retinoschisis (RS) by positional cloning. Both, functional analysis of the gene product, named retinoschisin (RS1), and the generation of a mouse model for RS provide novel insight into retinal physiology and the pathomechanism of the disease. The genomic organization of the interphotoreceptor matrix proteoglycan-1 (IMPG1) was established and its chromosomal localization was identified (6q13-15). Seven different human retinal dystrophies have previously been mapped to this region on chromosome 6. A possible genetic association between IMPG1 and two retinal dystrophies, North Carolina macular dystrophy (MCDR1) and progressive bifocal chorioretinal atrophy (PBCRA), was investigated. By means of linkage studies and mutation analysis in affected patients the involvement of IMPG1 in these two different diseases was ruled out. The genomic organization of diacylglycerol kinase-3 (DAGK3) was determined and the gene locus was mapped to chromosome 3q27-28. The autosomal dominant optic atrophy (OPA1) was independently localized to the same chromosomal region. This has prompted us to investigate the role of DAGK3 in OPA1. By mutation analysis such a correlation could be excluded. X-linked juvenile retinoschisis is a common cause of juvenile macular degeneration affecting approximately 300.000 young males worldwide. The disease is characterized by a slitting of the inner retinal layers resulting in cystic degeneration of the central retina. Half of the patients also develop peripheral manifestations. Our laboratory and others localized the RS gene to a 900 kb interval on the short arm of chromosome Xp22.2. Comparison of genomic DNA sequences with publicly available expressed sequence tags (ESTs) have identified a retina-specific transcript. This novel transcript is composed of six exons that encode a 224-amino acid protein including a 23 amino acid signal peptide. Bioinformatical analysis revealed that the putative protein consists almost exclusively of a discoidin domain wich is highly conserved from slime mold to human. Discoidin domains are implicated in cell adhesion or cell-cell interactions. On the basis of mutation analysis in patients affected with RS, we confirmed that the gene indeed is responsible for RS pathology. The RS1 protein is found at the cell surfaces of photoreceptors and bipolar cells and within the synaptic regions of the outer (OPL) and the inner plexiform layers (IPL) most likely as a homo-oligomeric complex. To clarify the function of the normal RS1 and to gain insight into RS pathogenesis a mouse model deficient of the endogenous RS1 protein was generated. For these purposes the genomic organization of the murine orthologous RS1 gene (Rs1h) was identified. Ophthalmologic and histologic analysis of Rs1h-/Y mice revealed significant parallels to the human RS phenotyp. Therefore, the knock-out mouse represents an ideal model to further study the underlying disease mechanism. Recently, we showed that apoptosis is the final pathway of photoreceptor degeneration in Rs1h-/Y mice. Most importantly this mouse model can serve as proof-of-concept for gene therapy. Towards this end we are testing adeno-associated virus (AAV)-based gene transfer of RS1 into the defect murine retina. This may pave the way for a gene based future intervention in humans affected with this condition.
KW  - Maus
KW  - Retinoschisis
KW  - Erbkrankheit
KW  - Molekulargenetik
KW  - X-gebundene juvenile Retinoschisis
KW  - Gendefekt
KW  - Mausmodell
KW  - X-linked juvenile retinoschisis
KW  - gene defect
KW  - mouse model
Y1  - 2003
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-7212
ER  -