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Supernumerary (B) chromosomes are dispensable elements found in many eukaryote genomes in addition to standard (A) chromosomes. In many respects, B chromosomes resemble sex chromosomes, so that a common ancestry for them has frequently been suggested. For instance, B chromosomes in grasshoppers, and other insects, show a pycnotic cycle of condensation-decondensation during meiosis remarkably similar to that of the X chromosome. In some cases, B chromosome size is even very similar to that of the X chromosome. These resemblances have led to suggest the X as the B ancestor in many cases. In addition, sex chromosome origin from B chromosomes has also been suggested. In this article, we review the existing evidence for both evolutionary pathways, as well as sex differences for B frequency at adult and embryo progeny levels, B chromosome effects or B chromosome transmission. In addition, we review cases found in the literature showing sex-ratio distortion associated with B chromosome presence, the most extreme case being the paternal sex ratio (PSR) chromosomes in some Hymenoptera. We finally analyse the possibility of B chromosome regularisation within the host genome and, as a consequence of it, whether B chromosomes can become regular members of the host genome.
Epimutations in Germ-Cell and Embryo Development: Possible Consequences for Assisted Reproduction
(2011)
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.
Introduction:
Proteins encoded by Fanconi anemia (FA) and/or breast cancer (BrCa) susceptibility genes cooperate in a common DNA damage repair signaling pathway. To gain deeper insight into this pathway and its influence on cancer risk, we searched for novel components through protein physical interaction screens.
Methods:
Protein physical interactions were screened using the yeast two-hybrid system. Co-affinity purifications and endogenous co-immunoprecipitation assays were performed to corroborate interactions. Biochemical and functional assays in human, mouse and Caenorhabditis elegans models were carried out to characterize pathway components. Thirteen FANCD2-monoubiquitinylation-positive FA cell lines excluded for genetic defects in the downstream pathway components and 300 familial BrCa patients negative for BRCA1/2 mutations were analyzed for genetic mutations. Common genetic variants were genotyped in 9,573 BRCA1/2 mutation carriers for associations with BrCa risk.
Results:
A previously identified co-purifying protein with PALB2 was identified, MRG15 (MORF4L1 gene). Results in human, mouse and C. elegans models delineate molecular and functional relationships with BRCA2, PALB2, RAD51 and RPA1 that suggest a role for MRG15 in the repair of DNA double-strand breaks. Mrg15-deficient murine embryonic fibroblasts showed moderate sensitivity to g-irradiation relative to controls and reduced formation of Rad51 nuclear foci. Examination of mutants of MRG15 and BRCA2 C. elegans orthologs revealed phenocopy by accumulation of RPA-1 (human RPA1) nuclear foci and aberrant chromosomal compactions in meiotic cells.
However, no alterations or mutations were identified for MRG15/MORF4L1 in unclassified FA patients and BrCa familial cases. Finally, no significant associations between common MORF4L1 variants and BrCa risk for BRCA1 or BRCA2 mutation carriers were identified: rs7164529, Ptrend = 0.45 and 0.05, P2df = 0.51 and 0.14, respectively; and rs10519219, Ptrend = 0.92 and 0.72, P2df = 0.76 and 0.07, respectively.
Conclusions:
While the present study expands on the role of MRG15 in the control of genomic stability, weak associations cannot be ruled out for potential low-penetrance variants at MORF4L1 and BrCa risk among BRCA2
mutation carriers.
Fanconi Anemia Core Complex Gene Promoters Harbor Conserved Transcription Regulatory Elements
(2011)
The Fanconi anemia (FA) gene family is a recent addition to the complex network of proteins that respond to and repair certain types of DNA damage in the human genome. Since little is known about the regulation of this novel group of genes at the DNA level, we characterized the promoters of the eight genes (FANCA, B, C, E, F, G, L and M) that compose the FA core complex. The promoters of these genes show the characteristic attributes of housekeeping genes, such as a high GC content and CpG islands, a lack of TATA boxes and a low conservation. The promoters functioned in a monodirectional way and were, in their most active regions, comparable in strength to the SV40 promoter in our reporter plasmids. They were also marked by a distinctive transcriptional start site (TSS). In the 59 region of each promoter, we identified a region that was able to negatively regulate the promoter activity in HeLa and HEK 293 cells in isolation. The central and 39 regions of the promoter sequences harbor binding sites for several common and rare transcription factors, including STAT, SMAD, E2F, AP1 and YY1, which indicates that there may be cross-connections to several established regulatory pathways. Electrophoretic mobility shift assays and siRNA experiments confirmed the shared regulatory responses between the prominent members of the TGF-b and JAK/STAT pathways and members of the FA core complex. Although the promoters are not well conserved, they share region and sequence specific regulatory motifs and transcription factor binding sites (TBFs), and we identified a bi-partite nature to these promoters. These results support a hypothesis based on the co-evolution of the FA core complex genes that was expanded to include their promoters.
BRCA1 is a major gatekeeper of genomic stability. Acting in multiple central processes like double-strand break repair, centrosome replication, and checkpoint control, BRCA1 participates in maintaining genomic integrity and protects the cell against genomic instability. Chromosomal instability (CIN) as part of genomic instability is an inherent characteristic of most solid tumors and is also involved in breast cancer development. In this study, we determined the extent of CIN in 32 breast cancer tumors of women with a BRCA1 germline mutation compared to 62 unselected breast cancers. We applied fluorescence in situ hybridization (FISH) with centromere-specific probes for the chromosomes 1, 7, 8, 10, 17, and X and locus-specific probes for 3q27 (BCL6), 5p15.2 (D5S23), 5q31 (EGR1), 10q23.3 (PTEN), and 14q32 (IGH@) on formalin-fixed paraffin-embedded tissue microarray sections. Our hypothesis of an increased level of CIN in BRCA1-associated breast cancer could not be confirmed by this approach. Surprisingly, we detected no significant difference in the extent of CIN in BRCA1-mutated versus sporadic tumors. The only exception was the CIN value for chromosome 1. Here, the extent of CIN was slightly higher in the group of sporadic tumors.
Das Hauptziel der medizinischen Genetik ist es, die Ursachen für genetisch hervorgerufene Krankheiten zu finden, um eine bessere Behandlung der Patienten zu gewährleisten, sei es um die Medikamente auf den Metabolismus des Individuums anzupassen oder natürlich dazu, um die Krankheit selbst zu behandeln und in Zukunft auch heilen zu können. Um dieses Ziel zu erreichen werden immer neue Technologien entwickelt, die mit Hilfe von bereits etablierten Methoden auf ihre Eignung hin überprüft werden müssen. Eine der neuesten Entwicklungen stellt die Array-Technologie dar. In dieser Studie wurde versucht zu überprüfen, inwieweit diese neue Methode zur Analyse von einzelnen bis wenigen Patienten mit bestimmten Syndromen geeignet ist. Dafür wurden mehrere Patienten mir sehr unterschiedlichen Phänotypen ausgesucht, die verschiedene Ursachen und Entstehungsmechanismen der genetischen und phänotypischen Veränderung vermuten ließen. Die erste hier dargestellte Publikation beschreibt einen Fall mit einer einseitigen Schalleitungsschwerhörigkeit, der mit einer Translokation der(18)t(18;22) mit der involvierten Deletion 22pter→q11.21, sowie den darin enthaltenden Genen der CES-Region, erklärt wurde. Der in der zweiten Publikation beschriebene Fall mit MR und Verhaltensauffälligkeiten wurde mit einer intragenischen Mikrodeletion im Gen IL1RAPL1 korreliert. Zwei Fälle autoimmunbedingten Leberversagens bei einem Phelan-McDermid Syndrom wurden in der dritten Publikation primär auf eine Deletion des Gens PIM3 zurückgeführt. Ein autistischer Junge mit einer Entwicklungsverzögerung und gewalttätigen Ausbrüchen zeigte in der vierten Publikation ein sehr komplexes Rearrangement mit mehreren Brüchen im Gen CNTNAP2 und Deletionen anderer Gene, die zusammen für den Phänotyp verantwortlich sein können. Keine Mikrodeletion, sondern eine Epimutation in Chromosom 14q32.2 war die Ursache für die Adipositas mit einer Sprachentwicklungsverzögerung bei einem Jungen, der in der fünften Publikation beschrieben ist. Um die o. g. genetischen Veränderungen zu finden, wurden verschiedene Methoden wie die GTG-Bänderung, FISH, MLPA und verschiedene Array-Systeme verwendet. Mit jeder von diesen Methoden konnten neue und einander ergänzende Daten zu den genetischen Veränderungen eines Individuums gewonnen werden. Keine der Methoden konnte für sich allein ein vollständiges Bild liefern. Die GTG-Bänderung zeigt zwar das ganze Genom, hat aber die Limitierung der niedrigen Auflösung. Sie konnte dennoch Anhaltspunkte für höherauflösende Untersuchungsmethoden geben. Dazu gehörte die FISH, die entweder zur feineren Auflösung der Bänderungsdaten oder zur Bestätigung von Array-Befunden verwendet wurde. Die MLPA wurde unterstützend auf der Suche nach sehr kleinen Veränderungen in eingegrenzten Regionen eingesetzt. In einigen der beschriebenen Fälle wurden trotz eines negativen Bänderungsbefundes aufgrund des auffälligen Phänotyps genetische Ursachen vermutet, und daher feiner auflösende Methoden eingesetzt. Die am höchsten auflösenden Array-basierten Methoden wurden eingesetzt, wenn ansonsten keine Ergebnisse zu erzielen waren, oder eine feinere Auflösung der vorhandenen Daten erreicht werden sollte. Anschließend konnten die Erkenntnisse über die Veränderungen mit dem Phänotyp korreliert werden, um ein Kandidatengen oder eine Kandidatengenregion zu ermitteln. Aufgrund der großen Datenmenge aus den Array-Experimenten, waren zur Entscheidung über die Relevanz der Daten bezüglich der Entstehung des Phänotyps umfassende Datenbank- und Literatur-Recherchen notwendig. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die Array-Technologie einen großen Fortschritt darstellt, in der Suche nach Ursachen für genetische Erkrankungen. Sie hat aber technische Limitierungen und um das Problem der Phänotyp-Genotyp-Korrelation zu vereinfachen, werden weltweit noch viele Daten gesammelt werden müssen. Das ist eine Frage der Zeit und der Weiterentwicklung geeigneter Technologien.
Die LGMD ist eine seltene Erbkrankheit der Muskelfasern, die zur Abnahme der Muskelmasse und der Muskelkraft führt. Das Institut der Humangenetik der Universität Würzburg ist eine der wenigen Stellen in Deutschland, die die molekulargenetische Diagnostik der LGMD 1B, 1C, 2A, 2B, 2D und 2I anbietet. Demnach liegen hier viele Daten vor und anhand dieser Daten konnten die Inzidenzen dieser Formen für Deutschland geschätzt werden. Zur Schätzung der LGMD-Inzidenz wurde eine andere Erkrankung herangezogen, die ähnlich selten auftritt wie die LGMD: DM1 und DM2. Die Schätzung ergab eine Inzidenz von 1: 33 000 für die autosomal-rezessiven Formen der LGMD und eine Inzidenz von 1: 272 000 für die autosomal-dominanten Formen der LGMD für Deutschland. Vergleicht man diese Daten mit den Daten aus der Weltliteratur , sieht man, dass die Häufigkeiten nahezu identisch sind.
Isolation of a Cancer-Associated Microchromosome in the Sperm-Dependent Parthenogen Poecilia formosa
(2011)
In the asexual all-female fish species Poecilia formosa, the Amazon molly, supernumerary chromosomes have frequently been found in both laboratory-reared and wild-caught individuals. While wild-caught individuals with B chromosomes are phenotypically indifferent from conspecifics, individuals carrying B chromosomes from recent introgression events in the laboratory show phenotypic changes. Former analyses showed that the expression of a pigment cell locus is associated with the presence of these B chromosomes. In addition, they contain a so far unidentified locus that confers a higher susceptibility to tumor formation in the presence of pigmentation pattern. Isolation by microdissection and hybridization to metaphase chromosomes revealed that they contain one or several sequences with similarity to a highly repetitive pericentromeric and subtelomeric sequence in A chromosomes. Isolation of one particular sequence by AFLP showed that the B chromosomes contain at least 1 copy of an A-chromosomal region which is highly conserved in the whole genus Poecilia, i.e. more than 5 million years old. We propose it to be a single copy sequence.
Fanconi Anämie (FA) ist eine autosomal rezessive, im Falle der Untergruppe FA-B X-chromosomale Erbkrankheit, die mit chromosomaler und genomischer Instabilität verbunden ist und sich durch große phänotypische und genetische Heterogenität auszeichnet. Symptomatisch sind Knochenmarksversagen, eine Vielfalt angeborener Fehlbildungen, die weit überdurchschnittliche Disposition für akute myeloische Leukämie (AML), Plattenepithelkarzinome (SCC) sowie eine zelluläre Hypersensitivität gegenüber DNA Doppelstrangvernetzenden Substanzen. FA wird kompliziert durch ein progressives Knochenmarksversagen. Die FA Proteine sind essentiell für die interstrand crosslink (ICL) repair sowie an anderen DNA Reparatursystemen, beteiligt. Bisher wurden hauptsächlich Regulationsmechanismen untersucht, die die FA Proteine betreffen. Die Regulation der Transkripte war bisher nahezu unbekannt. In der vorliegenden Arbeit wurde die transkriptionelle Regulation der sogenannten FA core complex Gene untersucht. Dabei handelt es sich um acht Gene, deren Produkte im Falle eines DNA Schadens den ersten Proteinkomplex des FA/BRCA Signalweges bilden. Für diese acht Gene wurden in dieser Arbeit die Promotoren identifiziert und ihr Aktivierungspotential charakterisiert. Dabei stellte sich heraus, dass diese ein starkes Potential für die Transkriptionsinitiierung besitzen. Des Weiteren zeigten sich Gemeinsamkeiten in Form von Sequenzmotiven sowie Transkriptionsfaktorbindestellen, die in allen core complex Genen nahezu identisch waren. Durch diese Analysen ergaben sich Hinweise, dass die untersuchten Gene durch Mitglieder des JAK/ STAT (STAT1/4) sowie des TGF-b Signalwegs (SMAD1/4) reguliert werden. Funktionelle Untersuchungen mittels siRNA sowie Fibroblastenzelllinen, die biallelische FANCA Mutationen trugen, bestätigten diese Verbindungen. So hatte der knockdown der entsprechenden Transkriptionsfaktoren einen reduzierenden Einfluss auf die Transkriptmenge der core complex Gene. FANCA-mutierte Zelllinen weisen reduzierte mRNAs von STAT und SMAD auf. Darüber hinaus fanden sich signifikante Änderungen der Transkriptmenge in 112 verschiedenen Mitgliedern dieser Signalwege in den FA-A Zellinien. Eines dieser Mitglieder, IRF1, zeigte fast identische Ergebnisse wie sie bei STAT1/4 sowie SMAD1/4 beobachtet werden konnten. Die vorliegende Arbeit trägt dazu bei, die transkriptionelle Regulation der core complex Gene besser zu verstehen. Die auffälligen Gemeinsamkeiten ihrer Regulation liefern neue Argumente für eine Koevolution dieser Gene.