TY  - THES
A1  - El Hajj, Nady
T1  - Epimutations in Germ-Cell and Embryo Development: Possible Consequences for Assisted Reproduction
T1  - Epimutationen in der Keimzell- und Embryonalentwicklung : Mögliche Konsequenzen für die assistierte Reproduktion
N2  - Assisted reproductive technologies (ART) emerged in the late 1970’s as a therapy for human infertility. Up till now more than 3 million babies have been conceived through ART, demonstrating the safety and efficiency of the technique. Published reports showed an increase in the rate of imprinting disorders (Beckwith Wiedemann Syndrome, Angelman Syndrome, etc.) in babies born after ART. What are the effects imposed through ART and should researchers reassess its safety and implications on the future offspring? Throughout this thesis, I analyzed the methylation patterns of germ cells and embryos to determine whether in vitro maturation and in vitro fertilization have a negative impact on the epigenetic patterns. Furthermore, DNA methylation was compared between sperm of infertile and presumably fertile controls in order to understand whether epigenetic disturbances lead to infertility at the first place. The occurrence of methylation aberrations in germ cells of infertile patients could be transmitted to new-borns and then cause epigenetic disorders. In order to elucidate the imprinting status within single cells, I developed a new technique based on limiting dilution where bisulfite treated DNA is distributed across several wells before amplification. This allowed methylation measurement at the single allele level as well parent of origin detection. In a total of 141 sperm samples from couples undergoing in vitro fertilization (IVF) or intracytoplasmic sperm injection (ICSI) including 106 with male factor or combined infertility and 28 with female infertility, I detected a significant correlation between lower quality of semen parameters (sperm count, percentage of abnormal sperm, and percentage of motile sperm) and the rate of imprinting errors. ALU repeats displayed a higher methylation in sperm DNA of patients leading to a pregnancy and live birth, compared to patients in which pregnancy was not achieved or a spontaneous abortion occurred. A discriminant analysis based on ALU methylation allowed correct classification of >70% of cases. Preliminary data from illumina methylation arrays where more than 27,000 CpGs were analyzed determined that only a single CpG site from the open reading frame C14orf93 was significantly different between the infertile and presumably fertile control group. However, further improvements on data normalization might permit detection of other differentially methylated regions. Comparison of embryos after natural conception, in vitro fertilized embryos from superovulated oocytes, and embryos achieved through fertilization of in vitro cultured oocytes revealed no dramatic effect on the imprinting patterns of Igf2r, H19, and Snrpn. Oocyte cryotop vitrification did not result in a dramatic increase of imprinting mutations in oocytes even though the rate of sporadic methylation errors in single Snrpn CpGs were higher within the in-vitrified group. Collectively, the results I will present within this thesis suggest an increase in the rate of imprinting errors within the germ cells of infertile patients, in addition to a decrease in genome wide methylation of ALU repetitive elements. I did not observe a detrimental effect on the methylation patterns of oocytes and the resulting embryos using in vitro maturation of oocytes and/or standard IVF with in vivo grown superovulated oocytes.
N2  - Assistierte Reproduktionstechniken (ART) wurden in den späten 1970er Jahren als Therapie für unfruchtbare Paare mit Kinderwunsch etabliert. Bis zum heutigen Tage wurden dank ART weltweit mehr als 3 Millionen Kinder geboren, ein eindrucksvoller Beweis für die Sicherheit und Effizienz dieser Methode. Dennoch zeigen veröffentlichte Studien einen Anstieg in der Rate von Imprinting-Erkrankungen (Beckwith Wiedemann-Syndrom, Angelman-Syndrom, etc.) bei Kindern, die nach assistierter Reproduktion geboren wurden. Es stellt sich die Frage, welche Effekte durch ART ausgelöst werden können und ob eine neue Einschätzung dieser Methode bezüglich ihrer gesundheitlichen Implikationen für künftige Generationen notwendig ist. In dieser Arbeit habe ich mögliche negative Effekte von in vitro-Maturation und -Fertili-sierung auf Methylierungsmuster humaner und muriner Keimzellen, sowie Maus-Embryonen untersucht. Aberrante DNA-Methylierungsmuster in Keimzellen von infertilen Patienten könnten auf die Neugeborenen übertragen werden und epigenetische Erkrankungen zur Folge haben. Ob epigenetische Störungen im Zusammenhang mit Infertilität stehen, wurde außerdem durch den Vergleich der DNA-Methylierung von Spermien infertiler und fertiler Männer untersucht. Um den Imprintigstatus auf Einzelzellebene zu bestimmen, habe ich basierend auf „Limiting Dilution“ eine neue Methode entwickelt. Bei diesem Verfahren wird Bisulfit-behandelte DNA vor der PCR-Amplifikation in mehrere Reaktionsgefässe verdünnt. Dies erlaubt die Methylierungsanalyse einzelner Allele und die Detektion elternspezifischer Methylierungsmuster. Mit insgesamt 141 Sperma-Proben von Paaren, die sich einer in vitro- Fertilisierung (IVF) oder einer Intrazytoplasmischen Spermieninjektion (ICSI) unterzogen hatten, davon 28 mit weiblicher und 106 mit männlicher oder kombinierter Unfruchtbarkeit, konnte ich einen positiven Zusammenhang zwischen der Rate an Imprinting-Fehlern und geringer Sperma-Qualität (gemessen an Standardparametern) ableiten. ALU-Sequenzen zeigten in Spermien-DNA von Patienten mit erfolgreicher Schwangerschaft und Geburt eine höhere Methylierung als von Patienten mit fehlgeschlagener Schwangerschaft oder Spontanabort. Eine auf der ALU-Methylierung basierende Diskriminanzanalyse konnte mehr als 70% aller Fälle korrekt klassifizieren. Vorläufige Daten aus Experimenten mit Illumina Methylierungs-Arrays mit einer Auflösung von mehr als 27.000 CpG-Positionen identifizierten einen signifikanten Gruppenunterschied zwischen Patienten- und Kontrollgruppe für eine CpG-Position innerhalb des offenen Leserahmens C14orf93. Verbesserungen der Datenauswertung (Normalisierung, Testung etc.) sollten die Entdeckung weiterer differenziell methylierter Regionen erlauben. Der Vergleich von Mausembryos aus natürlicher Konzeption, aus in vitro kultivierten und fertilisierten Oozyten und aus in vitro Fertilisation nach Superovulation zeigte keine dramatischen Effekte auf die Imprinting-Muster der geprägten Gene Igf2r, H19 und Snrpn. Das gilt auch für Cryo-Top vitrifizierte Oozyten, wenn auch die Rate sporadischer Methylierungsfehler einzelner CpG-Positionen in Snrpn etwas höher war als in den Kontrollgruppen. Zusammengenommen lassen die in dieser Arbeit präsentieren Resultate auf eine Zunahme an Imprinting-Fehlern und eine genomweite Abnahme der Methylierung repetitiver ALU-Sequenzen in den Keimzellen infertiler Patienten schließen.
KW  - Reproduktionsmedizin
KW  - Epigenotypus
KW  - Mutation
KW  - assistierte Reproduktion
KW  - Keimzell- und Embryonalentwicklung
KW  - Epimutation
KW  - Epigenetics
KW  - Asisted Reproduction
KW  - Imprinting
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-65995
ER  - 
TY  - THES
A1  - Choi, Soon Won
T1  - Analyse des neuralen Differenzierungspotentials androgenetischer muriner embryonaler Stammzellen in vitro und in vivo
T1  - Analysis of the neural differentiation potential of androgenetic murine embryonic stem cells in vitro and in vivo
N2  - Pluripotente embryonale Stammzellen (ES Zellen) sind aufgrund ihrer Selbsterneuerung- und ihrer Multiliniendifferenzierungs-Fähigkeiten interessante Zelltypen sowohl für die Grundlagenforschung als auch für die regenerative Medizin. Uniparentale Zygoten mit zwei väterlichen (androgenetisch: AG) oder zwei mütterlichen (gynogenetisch: GG; parthenogenetisch: PG) Genomen sind nicht in der Lage, lebensfähige Nachkommen zu entwickeln. Sie entwickeln sich jedoch erfolgreich bis zu Blastozysten, aus denen pluripotente ES Zellen abgeleitet werden können. Mit uniparentalen ES Zellen können zum Einen parent-of-origin-spezifische Einflüsse auf die Gewebeentwicklung untersucht und zum Anderen histokompatible und somit therapeutisch relevante Zellpopulationen generiert werden. Obwohl viele Aspekte des in vitro und in vivo Differenzierungspotenzials von PG ES Zellen aus mehreren Spezies in den zurückliegenden Jahren untersucht worden sind, ist das volle Differenzierungspotenzial von AG ES Zellen bisher nicht erschöpfend analysiert worden. Zellen der Inneren Zellmasse (ICM) von PG und AG Embryonen zeigten nach Blastozysteninjektion ortsspezifische Kontribution zur Gehirnentwicklung, wobei PG Zellen bevorzugt im Cortex und im Striatum lokalisierten, während sich AG Zellen verstärkt im Hypothalamus nachzuweisen waren. Aus AG und GG ES Zellen konnten zudem in vitro hämatopoetische Stammzellen differenziert werden, die nach Transplantation im Mausmodell tumorfrei das gesamte hämatopoetische System repopulierten. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass AG ES Zellen ein mit N ES Zellen vergleichbares in vitro und in vivo Differenzierungspotential in der frühen neuralen Entwicklung besitzen. Das Ziel meiner Arbeit war es zu untersuchen, ob murine AG ES Zellen sich zu verschiedenen neuronalen Subtypen entwickeln können und ob sie tumorfrei neurale Zelltypen nach Transplantation bilden können. In dieser Studie wurden AG ES Zellen im Vergleich zu biparentalen (N) ES Zellen in vitro über Embryoid Bodies (EBs) zunächst zu pan-neuronalen Vorläuferzellen (pNPCs) und weiter zu Neuron- und Glialzell-Marker (ß-III Tubulin (Tuj-1), NeuN, TH und GFAP) positiven Zellen differenziert.. Weiterhin wurde das dopaminerge (DA) Differenzierungspotential von AG ES Zellen näher untersucht, indem sie in einem Ko-Kultursystem mit Stromazellen gerichtet differenziert wurden. Diese DA Neurone wurden durch semiquantitative RT-PCR Analysen und immunhistochemische Färbungen für DA Neuronen-spezifische Marker (TH, PITX3, Nurr1) charakterisiert. Darüber hinaus wurde der Imprinting-Status von neun ausgesuchten Loci in AG und N ES, pNPC und DA Zellkulturen durch real-time RT-PCR Analysen untersucht. Die hier analysierten Gene, die im Gehirn allelspezifisch exprimiert werden, zeigten in pNPCs eine parent-of-origin-spezifische Genexpression mit Ausnahme von Ube3a. Nach Blastozysteninjektion wurde die Bildung von DA Neuronen in AG und N fötalen chimären Gehirnen untersucht. Hier zeigte sich, dass TH- and PITX3-positive AG DA Neurone abgeleitet aus ES Zellen im Mittelhirn von E12.5 und E16.5 Chimären detektiert werden konnten. Diese fötalen chimären Gehirne zeigten eine verbreitete und gleichmäßige Verteilung der AG Donorzellen in den Arealen Cortex, Striatum und Hypothalamus. Stereotaktische Transplantationen von AG und N pNPCs in ein „Traumatic Brain Injury (TBI) Model“ zeigten zudem, dass frühe Differenzierungsstufen von AG und N pNPC-Kulturen häufig Teratome generierten. Durch die Transplantation von langzeitdifferenzierten AG oder N pNPC-Kulturen konnte jedoch ein tumorfreies Anwachsen neuronaler und glialer Zellen erreicht werden. Die immunhistochemische Auswertung von Transplantaten bezüglich der Donorzellkontribution im Gehirn erfolgten bis zu drei Monaten nach der Injektion. Die vorliegenden Ergebnisse zeigen, dass AG ES Zellen neurales Differenzierungspotential, speziell zur Bildung von DA Neuronen, besitzen. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass langzeitdifferenzierte AG und N pNPCs nach Transplantation im traumatisierte Mausgehirnmodell tumorfrei anwachsen und anschließend zu neuralen Zellen differenzieren können. Trotz unbalancierter Genexpression von imprinted Genen lässt sich feststellen, dass AG ES Zellen therapeutisch relevant für zukünftige zelluläre Ersatzstrategien von Nervengewebe sein können.
N2  - Pluripotent embryonic stem (ES) cells are interesting cell types both for basic research and for regenerative medicine because of their enormous self-renewal and multi-lineage differentiation capacity. Uniparental zygotes with two paternal (androgenetic: AG) or two maternal (gynogenetic: GG; parthenogenetic: PG) genomes are not able to develop into viable offsprings but develop successfully up to blastocysts, from which ES cells can be derived. Uniparental ES cells can be utilized to study parent-of-origin-specific influences on tissue development and histocompatible, and therapeutically-relevant cell populations could be generated from them. While many aspects of the in vitro and in vivo differentiation potential of PG uniparental ES cells were studied for several species, the capacity of AG ES cells have not been analyzed to the same extent. PG and AG inner cell mass (ICM) cells showed region-specific contribution in brain development following blastocyst injection. While PG cells were preferentially located in the cortex and the striatum, AG cells were most commonly found in the hypothalamus. Hematopoietic cells derived from AG and GG ES cells generated after transplantation long-term repopulating and tumor-free complete hematopoietic engraftments in irradiated transplant recipients. Furthermore, AG and N ES cells also show a comparable in vitro and in vivo neural differentiation potential during early development, The aim of the present study was to investigate whether AG ES cells can develop into specific neuronal subtypes, and whether they can form neural cell types after transplantation, lacking teratoma formation. In this study, AG ES cells and as controls biparental (N) ES cells were differentiated in vitro via embryoid bodies (EBs) into pan-neural progenitor cells (pNPCs) and consequently to cells which expressed a variety of neuron- and glial cell-specific markers, including ß-III tubulin (Tuj-1), NeuN, TH, and GFAP. Furthermore the dopaminergic (DA) differentiation potential of AG ES cells was investigated more closely, by directed neuronal differentiation of AG ES cells in a co-culture system with stromal cells. The resulting neurons were characterized by semi-quantitative RT-PCR analyses and immunohistochemical stainings for DA neuron-specific markers (TH, PITX3, Nurr1). Additionally, the imprinting status of nine selected loci in AG and N ES cell, pNPC and DA cell cultures was studied by real-time RT-PCR analyses. The genes analyzed here, known to be expressed allel-specific in the brain, maintained in pNPCs a parent-of-origin-specific gene expression with the exception of UBE3A.   Following blastocyst injection the formation of DA neurons was studied in the AG and N chimeric fetal brains. TH- and PITX3-positive DA neurons derived from ES AG cells in the midbrain of E12.5 and E16.5 chimeras were detected. These chimeric fetal brains showed a widespread and balanced distribution of AG cells in the brain areas Cortex, Striatum and Hypothalamus. Stereotactic transplantations of AG and N pNPCs in a "Traumatic Brain Injury (TBI) Model" showed that early neural differentiation stages of AG and N pNPC cultures tended to generate teratomas. Importantly, neuronal and glial tumor-free engraftments could be achieved by the transplantation of long-term differentiated AG or N pNPC cultures. The immunohistochemical assessment of the donor cell contribution of individual transplants was performed up to three months post-transplantation. The results presented here show that AG ES cells have DA neuronal differentiation potential, and that long-term differentiated AG and N pNPCs can engraft tumor-free in a brain injury model. In spite of imbalanced imprinted gene expressions my results suggest that AG ES cells could be therapeutically relevant for future cellular replacement strategies of neural tissues.
KW  - Deutschland / Stammzellgesetz
KW  - Dopaminerge Nervenzelle
KW  - Nervenzelle
KW  - Embryonale Stammzelle
KW  - Stammzelle
KW  - Embryonale Stammzelle
KW  - androgenetisch
KW  - Differenzierung
KW  - Imprinting
KW  - Transplantation
KW  - embryonic stem cell
KW  - androgenetic
KW  - differentiation
KW  - imprinting
KW  - transplantation
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-48452
ER  -