Wilms tumor (WT) or nephroblastoma is the most common kidney tumor in childhood. Several genetic alterations have been identified in WT over the past years. However, a clear-cut underlying genetic defect has remained elusive. Growing evidence suggests that miRNA processing genes play a major role in the formation of pediatric tumors, including WT. We and others have identified the microprocessor genes DROSHA and DGCR8 as key players in Wilms tumorigenesis. Exome sequence analysis of a cohort of blastemal-type WTs revealed the recurrent hotspot mutations DROSHA E1147K and DGCR8 E518K mapping to regions important for catalyic activity and RNA-binding. These alterations were expected to affect processing of miRNA precursors, ultimately leading to altered miRNA expression. Indeed, mutated tumor samples were characterized by distinct miRNA patterns. Notably, these mutations have been observed almost exclusively in WT, suggesting that they play a specific role in WT formation. The aim of the present work was to first examine the mutation frequency of DROSHA E1147K and DGCR8 E518K in a larger cohort of WTs, and to further characterize these microprocessor gene mutations as potential oncogenic drivers for WT formation. Screening of additional 700 WT samples by allele-specific PCR revealed a high frequency of DROSHA E1147K and DGCR8 E518K mutations, with the highest incidence found in tumors of high-risk histology. DROSHA E1147K was heterozygously expressed in all cases, which strongly implies a dominant negative effect. In contrast, DGCR8 E518K exclusively exhibited homozygous expression, suggestive for the mutation to act recessive. To functionally assess the mutations of the microprocessor complex in vitro, I generated stable HEK293T cell lines with inducible overexpression of DROSHA E1147K, and stable mouse embryonic stem cell (mESC) lines with inducible overexpression of DGCR8 E518K. To mimic the homozygous expression observed in WT, DGCR8 mESC lines were generated on a DGCR8 knockout background. Inducible overexpression of wild-type or mutant DROSHA in HEK293T cells showed that DROSHA E1147K leads to a global downregulation of miRNA expression. It has previously been shown that the knockout of DGCR8 in mESCs also results in a significant downregulation of canonical miRNAs. Inducible overexpression of wild type DGCR8 rescued this processing defect. DGCR8 E518K on the other hand, only led to a partial rescue. Differentially expressed miRNAs comprised members of the ESC cell cycle (ESCC) and let-7 miRNA families whose antagonism is known to play a pivotal role in the regulation of stem cell properties. Along with altered miRNA expression, DGCR8-E518K mESCs exhibited alterations in target gene expression potentially affecting various biological processes. We could observe decreased proliferation rates, most likely due to reduced cell viability. DGCR8-E518K seemed to be able to overcome the block of G1-S transition and to rescue the cell cycle defect in DGCR8-KO mESCs, albeit not to the full extent like DGCR8-wild-type. Moreover, DGCR8-E518K appeared to be unable to completely block epithelial-to-mesenchymal transition (EMT). Embryoid bodies (EBs) with the E518K mutation, however, were still able to silence the self-renewal program rescuing the differentiation defect in DGCR8-KO mESCs. Taken together, I could show that DROSHA E1147K and DGCR8 E518K are frequent events in WT with the highest incidence in high-risk tumor entities. Either mutation led to altered miRNA expression in vitro confirming our previous findings in tumor samples. While the DROSHA E1147K mutation resulted in a global downregulation of canonical miRNAs, DGCR8 E518K was able to retain significant activity of the microprocessor complex, suggesting that partial reduction of activity or altered specificity may be critical in Wilms tumorigenesis. Despite the significant differences found in the miRNA and mRNA profiles of DGCR8 E518K and DGCR8-wild-type mESCs, functional analysis showed that DGCR8 E518K could mostly restore important cellular functions in the knockout and only slightly differed from the wild-type situation. Further studies in a rather physiological environment, such as in a WT blastemal model system, may additionally help to better assess the subtle differences between DGCR8 E518K and DGCR8 wild-type observed in our mESC lines. Together with our findings, these model systems may thus contribute to better understand the role of these microprocessor mutations in the formation of WT.

Wilms tumor (WT) is the most common renal tumor in childhood. Among others, MYCN copy number gain and MYCN P44L and MAX R60Q mutations have been identified in WT. The proto-oncogene MYCN encodes a transcription factor that requires dimerization with MAX to activate transcription of numerous target genes. MYCN gain has been associated with adverse prognosis. The MYCN P44L and MAX R60Q mutations, located in either the transactivating or basic helix-loop-helix domain, respectively, are predicted to be damaging by different pathogenicity prediction tools. These mutations have been reported in several other cancers and remain to be functionally characterized. In order to further describe these events in WT, we screened both mutations in a large cohort of unselected WT patients, to check for an association of the mutation status with certain histological or clinical features. MYCN P44L and MAX R60Q revealed frequencies of 3 % and 0.9 % and also were significantly associated to higher risk of relapse and metastasis, respectively. Furthermore, to get a better understanding of the MAX mutational landscape in WT, over 100 WT cases were analyzed by Sanger sequencing to identify other eventual MAX alterations in its coding sequence. R60Q remained the only MAX CDS alteration described in WT to date. To analyze the potential functional consequences of these mutations, we used a doxycycline-inducible system to overexpress each mutant in HEK293 cells. This biochemical characterization identified a reduced transcriptional activation potential for MAX R60Q, while the MYCN P44L mutation did not change activation potential or protein stability. The protein interactome of N-MYC-P44L was likewise not altered as shown by mass spectrometric analyses of purified N-MYC complexes. However, we could identify a number of novel N-MYC partner proteins, several of these known for their oncogenic potential. Their correlated expression in WT samples suggested a role in WT oncogenesis and they expand the range of potential biomarkers for WT stratification and targeting, especially for high-risk WT.

The Notch signaling pathway is crucial for mammalian heart development. It controls cell-fate decisions, coordinates patterning processes and regulates proliferation and differentiation. Critical Notch effectors are Hey bHLH transcription factors (TF) that are expressed in atrial (Hey1) and ventricular (Hey2) cardiomyocytes (CM) and in the developing endocardium (Hey1/2/L). The importance of Hey proteins for cardiac development is demonstrated by knockout (KO) mice, which suffer from lethal cardiac defects, such as ventricular septum defects (VSD), valve defects and cardiomyopathy. Despite this clear functional relevance, little is known about Hey downstream targets in the heart and the molecular mechanism by which they are regulated. Here, I use a cell culture system with inducible Hey1, Hey2 or HeyL expression to study Hey target gene regulation in HEK293 cells, in murine embryonic stem cells (ESC) and in ESC derived CM. In HEK293 cells, I could show that genome wide binding sites largely overlap between all three Hey proteins, but HeyL has many additional binding sites that are not bound by Hey1 or Hey2. Shared binding sites are located close to transcription start sites (TSS) where Hey proteins preferentially bind to canonical E boxes, although more loosely defined modes of binding exist. Additional sites only bound by HeyL are more scattered across the genome. The ability of HeyL to bind these sites depends on the C-terminal part of the protein. Although there are genes which are differently regulated by HeyL, it is unclear whether this regulation results from binding of additional sites by HeyL. Additionally, Hey target gene regulation was studied in ESC and differentiated CM, which are more relevant for the observed cardiac phenotypes. ESC derived CM contract in culture and are positive for typical cardiac markers by qRT PCR and staining. According to these markers differentiation is unaffected by prolonged Hey1 or Hey2 overexpression. Regulated genes are largely redundant between Hey1 and Hey2. These are mainly other TF involved in e.g. developmental processes, apoptosis, cell migration and cell cycle. Many target genes are cell type specifically regulated causing a shift in Hey repression of genes involved in cell migration in ESC to repression of genes involved in cell cycle in CM. The number of Hey binding sites is reduced in CM and HEK293 cells compared to ESC, most likely due to more regions of dense chromatin in differentiated cells. Binding sites are enriched at the proximal promoters of down-regulated genes, compared to up-or non-regulated genes. This indicates that up-regulation primarily results from indirect effects, while down-regulation is the direct results of Hey binding to target promoters. The extent of repression generally correlates with the amount of Hey binding and subsequent recruitment of histone deacetylases (Hdac) to target promoters resulting in histone H3 deacetylation. However, in CM the repressive effect of Hey binding on a subset of genes can be annulled, likely due to binding of cardiac specific activators like Srf, Nkx2-5 and Gata4. These factors seem not to interfere with Hey binding in CM, but they recruit histone acetylases such as p300 that may counteract Hey mediated histone H3 deacetylation. Such a scenario explains differential regulation of Hey target genes between ESC and CM resulting in gene and cell-type specific regulation.

Der Transkriptionsfaktor C/EBPβ besitzt sehr vielgestaltige Funktionen und ist an Wachstums-und Differenzierungsvorgängen verschiedener Gewebe beteiligt. So fördert es in T-Lymphozyten über Transaktivierung des Il4-Promotors und Repression der TH1-Zytokine IL-2 und IFN-γ die Bildung eines TH2-Phänotyps [Berberich-Siebelt et al. 2000]. Durch Herabregulation von c-Myc bewirkt es einen Zellzyklusarrest in G1 und vermehrte Differenzierung der Zellen auch über eine reziproke Steigerung von Differenzierungsfaktoren wie Mad4 [Berberich-Siebelt et al. 2006]. In einer den G1-Arrest nachweisenden Zellzyklusanalyse von mit C/EBPβ transduzierten EL-4 Zellen zeigte sich daneben ein kleiner Sub-G1-Peak, der auf eine apoptotische Zellpopulation hinweist [Berberich-Siebelt et al. 2006]. Aufgabe dieser Arbeit war es, den möglichen Zusammenhang zwischen der Aktivierung von C/EBPβ und Auslösung von Apoptose in EL-4 Zellen hinsichtlich seiner Spezifität und dabei favorisierter Signalwege zu untersuchen. Gegenstand der Untersuchungen waren mit dem C/EBPβ-ERTM-Konstrukt alleine und in Kombination mit dominant-negativen Mutanten der Caspase-3 und der Caspase-9 transduzierte EL-4 Kulturzellen. Durch Einbringen der Caspasemutanten sollte eine kompetitive Hemmung der entsprechenden endogenen Caspasen bewirkt werden. Methodisch erfolgten Apoptosenachweise mittels durchflusszytometrischer Analysen von mit Annexin V-PE und 7-Amino-Actinomycin (7-AAD) gefärbten EL-4 Zellen sowie die Detektion von gespaltener PARP (Poly-ADP-Ribose-Polymerase), einem Substrat der Caspase-3 im Western Blot. Des Weiteren erfolgten mittels Ribonuklease-Protektionsanalysen Untersuchungen der RNA-Expression von Zytokinen, Caspasen und von Mitgliedern der Myc- und der Bcl-2-Proteinfamilien, um das Verhalten der Zellen unter Hemmung von Apoptosewegen bzw. Caspasen bei Aktivierung von C/EBPβ näher betrachten zu können. In Annexin V-PE- und 7-AAD-Färbungen sowie durch Nachweis der spezifischen Spaltung von PARP konnte gezeigt werden, dass C/EBPβ Zelluntergang und Apoptose fördert. Diese war durch den Pancaspaseinhibitor Z-VAD fmk hemmbar, was, wie auch die PARP-Spaltung, auf einen caspaseabhängigen Signalweg hinweist. Hemmung der Caspase-3 durch Transduktion der Zellen mit einer Caspase-3-Mutante besaß kaum Einfluss auf die durch C/EBPβ veränderte Zytokinexpression und die Repression von c-Myc, doch erschien eine vermehrte Hochregulation des Differenzierungsfaktors Mad4, der endogenen Caspase3- und der Caspase11-RNA. Die Steigerung von Caspase-3 unter Aktivierung von C/EBPβ fand sich auch auf Proteinebene. Allerdings konnte eine Hemmung der Caspase-3 bei den untersuchten EL-4 Zellen die durch C/EBPβ vermittelte Apoptose nicht verhindern, was auf andere Apoptosewege oder kompensatorischer Effekte verwies. Durch Beeinflussung des intrinsischen Signalweges mit Hemmung der Caspase-9 zeigten sich ebenfalls kaum Auswirkungen auf die Zytokinexpression der untersuchten Zellen. Hier fanden sich Hochregulationen sowohl der pro- als auch antiapoptotischen Mitglieder der Bcl-2-Familie. Funktionell konnte auch eine Hemmung von Caspase-9 die Zellen nicht vor der Apoptose durch Aktivierung von C/EBPβ bewahren. So konnte hier gezeigt werden, dass Aktivierung von C/EBPβ in den untersuchten EL-4 Zellen Apoptose fördern kann, dies über eine Aktivierung der Caspasekaskade zu geschehen scheint und mit einer Steigerung endogener Caspase-3-Expression einhergeht. Aus den Untersuchungen dieser Arbeit konnte eine Favorisierung eines bestimmten Apoptosesignalweges nicht abgeleitet werden, da eine Hemmung des intrinsischen Weges die Zellen nicht vor dem Zelltod schützen konnte. Insgesamt lässt sich aber, obwohl nicht alle Details geklärt werden konnten, festhalten, dass C/EBPβLAP in T-Zellen neben Proliferationshemmung und Differenzierungsinduktion auch für Caspase vermittelten Zelltod verantwortlich ist.

Die Neuralentwicklung wird durch eine Vielzahl von Genen reguliert. Hierbei scheint der Notch-Signaltransduktionsweg eine wichtige Rolle zu spielen. Die primären Zielgene der Notch-Signalkaskaskade sind die Hes- und Hey-Gene. Die genaue Bedeutung der Signalkaskade, der Hes- und insbesondere der Hey-Gene für den Differenzierungsprozess neuraler Stamm- und Vorläuferzellen ist noch nicht bekannt. Ziel dieser Arbeit war es, die Aufgaben von Notch und der Hey-Gene beim Differenzierungsprozess neuraler Stamm- und Vorläuferzellen genauer zu untersuchen. Da das gezielte Ausschalten eines Gens eine aussagekräftige Methode zur Erforschung seiner Funktion ist, wurden zunächst neurale Stamm- und Vorläuferzellen in Form von sogenannten Neurosphären von Hey1-/- und Hey2-/- Mäuseembryonen mit denen von Wildtyp-Mäuseembryonen verglichen. Dabei differenzierten bei den Hey1-/- Neurosphärenkulturen ca. 6,6% (bei den Kontrollen 6,6%) und bei den Hey2-/- Kulturen 10,9% (Kontrollen 8,7%) der Zellen zu Neuronen. Eine komplette Inhibierung der Notch-Signalkaskade wurde durch das Etablieren von RBP-Jκ-/- Kulturen erreicht. RBP-Jκ-/- Zellen waren jedoch während der Differenzierung nur noch zu einem kleinen Teil in der Lage zu adhärieren, was weitere Experimente mit den Zellen unmöglich machte. Als nächstes sollten Neurosphären mit einer Überexpression von Hey1 mit Wildtyp-Neurosphären verglichen werden. Es gelang allerdings aufgrund einer schon hohen Ausgangsexpression von Hey1 in Neurosphären nur, die Expression zu verdreifachen, was für weitere Experimente nicht ausreichend schien. Um die Prozesse, die auf Genebene während der Differenzierung neuraler Stamm- und Vorläuferzellen ablaufen, besser zu verstehen, wurden die Expression von Genen, die in der Neuralentwicklung und in der Notch-Signalkaskade eine Rolle spielen, in Wildtyp-Neurosphärenzellen mittels qRT-PCR zu verschiedenen Differenzierungszeitpunkten quantifiziert. Die Genexpression von Hes1 und Hes5, sowie Hey2 wurde während der Differenzierung zum Teil deutlich herunterreguliert. Die Gene Hes3, Hey1 und Id4 hingegen stiegen zunächst bis Tag 3 stark an, um dann an Tag 7 und 14 etwa wieder den Ausgangswert zu erreichen. Die Regulation der Gene war insgesamt recht uneinheitlich und nicht immer nachvollziehbar. Da diese teils widersprüchlichen Ergebnisse auf die vorgegebene Heterogenität einer Neurosphärenkultur zurückzuführen sein könnten, wurde nach einer Alternative zur Neurosphärenkultur gesucht. Deshalb wurde im Weiteren versucht homogene Monolayerkulturen nach einem Protokoll von Conti et al. (2005) zu etablieren. Das Protokoll musste aber an einigen Stellen angepasst werden, um adäquate Kulturen zu erhalten. Da die Monolayerkulturen auf Gelatine nicht gut hafteten wurde auf eine Polyornithin-Beschichtung umgestellt. Außerdem wurde das NS-A Medium mit N-2 Zusatz aufgrund schlechter Proliferation der Zellen auf Neurobasalmedium mit B-27 Zusatz umgestellt. Färbungen dieser Monolayerkulturen zeigten, dass sich fast alle Zellen mit dem Stammzellmarker Nestin anfärben ließen und keine Zellen Tuj1+ (Neuronen) und nur einige wenige Zellen Gfap+ (Astrozyten) waren. Es ist deshalb wahrscheinlich, dass die Zellen in einer Monolayerkultur unter den oben beschriebenen Bedingungen hauptsächlich undifferenziert sind und neuralen Stamm- bzw. Vorläuferzellcharakter haben.