Theodor-Boveri-Institut für Biowissenschaften
Refine
Has Fulltext
- yes (46)
Is part of the Bibliography
- yes (46)
Year of publication
Document Type
- Doctoral Thesis (29)
- Journal article (17)
Keywords
- Fanconi-Anämie (6)
- DNA methylation (4)
- Erbkrankheit (4)
- Molekulargenetik (4)
- DNS-Reparatur (3)
- Epigenetik (3)
- Fanconi Anämie (3)
- Fanconi anemia (3)
- Genmutation (3)
- Humangenetik (3)
Institute
- Institut für Humangenetik (46) (remove)
Fungal infections are a major global health burden where Candida albicans is among the most common fungal pathogen in humans and is a common cause of invasive candidiasis. Fungal phenotypes, such as those related to morphology, proliferation and virulence are mainly driven by gene expression, which is primarily regulated by kinase signaling cascades. Serine-arginine (SR) protein kinases are highly conserved among eukaryotes and are involved in major transcriptional processes in human and S. cerevisiae. Candida albicans harbors two SR protein kinases, while Sky2 is important for metabolic adaptation, Sky1 has similar functions as in S. cerevisiae. To investigate the role of these SR kinases for the regulation of transcriptional responses in C. albicans, we performed RNA sequencing of sky1Δ and sky2Δ and integrated a comprehensive phosphoproteome dataset of these mutants. Using a Systems Biology approach, we study transcriptional regulation in the context of kinase signaling networks. Transcriptomic enrichment analysis indicates that pathways involved in the regulation of gene expression are downregulated and mitochondrial processes are upregulated in sky1Δ. In sky2Δ, primarily metabolic processes are affected, especially for arginine, and we observed that arginine-induced hyphae formation is impaired in sky2Δ. In addition, our analysis identifies several transcription factors as potential drivers of the transcriptional response. Among these, a core set is shared between both kinase knockouts, but it appears to regulate different subsets of target genes. To elucidate these diverse regulatory patterns, we created network modules by integrating the data of site-specific protein phosphorylation and gene expression with kinase-substrate predictions and protein-protein interactions. These integrated signaling modules reveal shared parts but also highlight specific patterns characteristic for each kinase. Interestingly, the modules contain many proteins involved in fungal morphogenesis and stress response. Accordingly, experimental phenotyping shows a higher resistance to Hygromycin B for sky1Δ. Thus, our study demonstrates that a combination of computational approaches with integration of experimental data can offer a new systems biological perspective on the complex network of signaling and transcription. With that, the investigation of the interface between signaling and transcriptional regulation in C. albicans provides a deeper insight into how cellular mechanisms can shape the phenotype.
CDC14A encodes the Cell Division Cycle 14A protein and has been associated with autosomal recessive non-syndromic hearing loss (DFNB32), as well as hearing impairment and infertile male syndrome (HIIMS) since 2016. To date, only nine variants have been associated in patients whose initial symptoms included moderate-to-profound hearing impairment. Exome analysis of Iranian and Pakistani probands who both showed bilateral, sensorineural hearing loss revealed a novel splice site variant (c.1421+2T>C, p.?) that disrupts the splice donor site and a novel frameshift variant (c.1041dup, p.Ser348Glnfs*2) in the gene CDC14A, respectively. To evaluate the pathogenicity of both loss-of-function variants, we analyzed the effects of both variants on the RNA-level. The splice variant was characterized using a minigene assay. Altered expression levels due to the c.1041dup variant were assessed using RT-qPCR. In summary, cDNA analysis confirmed that the c.1421+2T>C variant activates a cryptic splice site, resulting in a truncated transcript (c.1414_1421del, p.Val472Leufs*20) and the c.1041dup variant results in a defective transcript that is likely degraded by nonsense-mediated mRNA decay. The present study functionally characterizes two variants and provides further confirmatory evidence that CDC14A is associated with a rare form of hereditary hearing loss.
The conspicuous colour sexual dimorphism of guppies has made them paradigmatic study objects for sex-linked traits and sex chromosome evolution. Both the X- and Y-chromosomes of the common guppy (Poecilia reticulata) are genetically active and homomorphic, with a large homologous part and a small sex specific region. This feature is considered to emulate the initial stage of sex chromosome evolution. A similar situation has been documented in the related Endler’s and Oropuche guppies (P. wingei, P. obscura) indicating a common origin of the Y in this group. A recent molecular study in the swamp guppy (Micropoecilia. picta) reported a low SNP density on the Y, indicating Y-chromosome deterioration. We performed a series of cytological studies on M. picta to show that the Y-chromosome is quite small compared to the X and has accumulated a high content of heterochromatin. Furthermore, the Y-chromosome stands out in displaying CpG clusters around the centromeric region. These cytological findings evidently illustrate that the Y-chromosome in M. picta is indeed highly degenerated. Immunostaining for SYCP3 and MLH1 in pachytene meiocytes revealed that a substantial part of the Y remains associated with the X. A specific MLH1 hotspot site was persistently marked at the distal end of the associated XY structure. These results unveil a landmark of a recombining pseudoautosomal region on the otherwise strongly degenerated Y chromosome of M. picta. Hormone treatments of females revealed that, unexpectedly, no sexually antagonistic color gene is Y-linked in M. picta. All these differences to the Poecilia group of guppies indicate that the trajectories associated with the evolution of sex chromosomes are not in parallel.
Usher syndrome, the most prevalent cause of combined hereditary vision and hearing impairment, is clinically and genetically heterogeneous. Moreover, several conditions with phenotypes overlapping Usher syndrome have been described. This makes the molecular diagnosis of hereditary deaf-blindness challenging. Here, we performed exome sequencing and analysis on 7 Mexican and 52 Iranian probands with combined retinal degeneration and hearing impairment (without intellectual disability). Clinical assessment involved ophthalmological examination and hearing loss questionnaire. Usher syndrome, most frequently due to biallelic variants in MYO7A (USH1B in 16 probands), USH2A (17 probands), and ADGRV1 (USH2C in 7 probands), was diagnosed in 44 of 59 (75%) unrelated probands. Almost half of the identified variants were novel. Nine of 59 (15%) probands displayed other genetic entities with dual sensory impairment, including Alström syndrome (3 patients), cone-rod dystrophy and hearing loss 1 (2 probands), and Heimler syndrome (1 patient). Unexpected findings included one proband each with Scheie syndrome, coenzyme Q10 deficiency, and pseudoxanthoma elasticum. In four probands, including three Usher cases, dual sensory impairment was either modified/aggravated or caused by variants in distinct genes associated with retinal degeneration and/or hearing loss. The overall diagnostic yield of whole exome analysis in our deaf-blind cohort was 92%. Two (3%) probands were partially solved and only 3 (5%) remained without any molecular diagnosis. In many cases, the molecular diagnosis is important to guide genetic counseling, to support prognostic outcomes and decisions with currently available and evolving treatment modalities.
Die Fanconi-Anämie (FA) ist eine seltene, heterogene Erbkrankheit. Sie weist ein sehr variables klinisches Erscheinungsbild auf, das sich aus angeborenen Fehlbildungen, hämatologischen Funktionsstörungen, einem erhöhten Risiko für Tumorentwicklung und endokrinen Pathologien zusammensetzt. Die Erkrankung zählt zu den genomischen Instabilitätssyndromen, welche durch eine fehlerhafte DNA-Schadensreparatur gekennzeichnet sind. Bei der FA zeigt sich dies vor allem in einer charakteristischen Hypersensitivität gegenüber DNA-quervernetzenden Substanzen (z. B. Mitomycin C, Cisplatin). Der zelluläre FA-Phänotyp zeichnet sich durch eine erhöhte Chromosomenbrüchigkeit und einen Zellzyklusarrest in der G2-Phase aus. Diese Charakteristika sind bereits spontan vorhanden und werden durch Induktion mit DNA-quervernetzenden Substanzen verstärkt. Der Gendefekt ist dabei in einem der 22 bekannten FA-Gene (FANCA, -B, -C, -D1, -D2, -E, -F, -G, -I, -J, -L, -M, -N, -O, -P, -Q, -R, -S, -T, -U, -V, -W) oder in noch unbekannten FA-Genen zu finden. Die FA-Gendefekte werden mit Ausnahme von FANCR (dominant-negative de novo Mutationen) und FANCB (X-chromosomal) autosomal rezessiv vererbt. Die FA-Genprodukte bilden zusammen mit weiteren Proteinen den FA/BRCA-Signalweg. Das Schlüsselereignis dieses Signalwegs stellt die Monoubiquitinierung von FANCD2 und FANCI (ID2-Komplex) dar. Ausgehend davon lässt sich zwischen upstream- und downstream-gelegenen FA-Proteinen unterscheiden. Letztere sind direkt an der DNA-Schadensreparatur beteiligt. Zu den upstream-gelegenen Proteinen zählt der FA-Kernkomplex, der sich aus bekannten FA-Proteinen und aus FA-assoziierten-Proteinen (FAAPs) zusammensetzt und für die Monoubiquitinierung des ID2-Komplexes verantwortlich ist. Für FAAPs wurden bisher keine pathogenen humanen Mutationen beschrieben. Zu diesen Proteinen gehört auch FAAP100, das mit FANCB und FANCL innerhalb des FA-Kernkomplexes den Subkomplex LBP100 bildet.
Durch die vorliegende Arbeit wurde eine nähere Charakterisierung dieses Proteins erreicht. In einer Amnion-Zelllinie konnte eine homozygote Missense-Mutation identifiziert werden. Der Fetus zeigte einen typischen FA-Phänotyp und auch seine Zellen wiesen charakteristische FA-Merkmale auf. Der zelluläre Phänotyp ließ sich durch FAAP100WT komplementieren, sodass die Pathogenität der Mutation bewiesen war. Unterstützend dazu wurden mithilfe des CRISPR/Cas9-Systems weitere FAAP100-defiziente Zelllinien generiert. Diese zeigten ebenfalls einen typischen FA-Phänotyp, welcher sich durch FAAP100WT komplementieren ließ. Die in vitro-Modelle dienten als Grundlage dafür, die Funktion des FA-Kernkomplexes im Allgemeinen und die des Subkomplexes LBP100 im Besonderen besser zu verstehen. Dabei kann nur durch intaktes FAAP100 das LBP100-Modul gebildet und dieses an die DNA-Schadensstelle transportiert werden. Dort leistet FAAP100 einen essentiellen Beitrag für den FANCD2-Monoubiquitinierungsprozess und somit für die Aktivierung der FA-abhängigen DNA-Schadensreparatur. Um die Funktion von FAAP100 auch in vivo zu untersuchen, wurde ein Faap100-/--Mausmodell generiert, das einen mit anderen FA-Mausmodellen vergleichbaren, relativ schweren FA-Phänotyp aufwies. Aufgrund der Ergebnisse lässt sich FAAP100 als neues FA-Gen klassifizieren. Zudem wurde die Rolle des Subkomplexes LBP100 innerhalb des FA-Kernkomplexes weiter aufgeklärt. Beides trägt zu einem besseren Verständnis des FA/BRCA-Signalweges bei. Ein weiterer Teil der vorliegenden Arbeit beschäftigt sich mit der Charakterisierung von FAAP100138, einer bisher nicht validierten Isoform von FAAP100. Durch dieses Protein konnte der zelluläre FA-Phänotyp von FAAP100-defizienten Zelllinien nicht komplementiert werden, jedoch wurden Hinweise auf einen dominant-negativen Effekt von FAAP100138 auf den FA/BRCA-Signalweg gefunden. Dies könnte zu der Erklärung beitragen, warum und wie der Signalweg, beispielsweise in bestimmtem Gewebearten, herunterreguliert wird. Zudem wäre eine Verwendung in der Krebstherapie denkbar.
Objective
The biological interpretation of gene expression measurements is a challenging task. While ordination methods are routinely used to identify clusters of samples or co-expressed genes, these methods do not take sample or gene annotations into account. We aim to provide a tool that allows users of all backgrounds to assess and visualize the intrinsic correlation structure of complex annotated gene expression data and discover the covariates that jointly affect expression patterns.
Results
The Bioconductor package covRNA provides a convenient and fast interface for testing and visualizing complex relationships between sample and gene covariates mediated by gene expression data in an entirely unsupervised setting. The relationships between sample and gene covariates are tested by statistical permutation tests and visualized by ordination. The methods are inspired by the fourthcorner and RLQ analyses used in ecological research for the analysis of species abundance data, that we modified to make them suitable for the distributional characteristics of both, RNA-Seq read counts and microarray intensities, and to provide a high-performance parallelized implementation for the analysis of large-scale gene expression data on multi-core computational systems. CovRNA provides additional modules for unsupervised gene filtering and plotting functions to ensure a smooth and coherent analysis workflow.
Using Illumina 450K arrays, 1.85% of all analyzed CpG sites were significantly hypermethylated and 0.31% hypomethylated in fetal Down syndrome (DS) cortex throughout the genome. The methylation changes on chromosome 21 appeared to be balanced between hypo- and hyper-methylation, whereas, consistent with prior reports, all other chromosomes showed 3-11times more hyper- than hypo-methylated sites. Reduced NRSF/REST expression due to upregulation of DYRK1A (on chromosome 21q22.13) and methylation of REST binding sites during early developmental stages may contribute to this genome-wide excess of hypermethylated sites. Upregulation of DNMT3L (on chromosome 21q22.4) could lead to de novo methylation in neuroprogenitors, which then persists in the fetal DS brain where DNMT3A and DNMT3B become downregulated. The vast majority of differentially methylated promoters and genes was hypermethylated in DS and located outside chromosome 21, including the protocadherin gamma (PCDHG) cluster on chromosome 5q31, which is crucial for neural circuit formation in the developing brain. Bisulfite pyrosequencing and targeted RNA sequencing showed that several genes of PCDHG subfamilies A and B are hypermethylated and transcriptionally downregulated in fetal DS cortex. Decreased PCDHG expression is expected to reduce dendrite arborization and growth in cortical neurons. Since constitutive hypermethylation of PCDHG and other genes affects multiple tissues, including blood, it may provide useful biomarkers for DS brain development and pharmacologic targets for therapeutic interventions.
The current molecular genetic diagnostic rates for hereditary hearing loss (HL) vary considerably according to the population background. Pakistan and other countries with high rates of consanguineous marriages have served as a unique resource for studying rare and novel forms of recessive HL. A combined exome sequencing, bioinformatics analysis, and gene mapping approach for 21 consanguineous Pakistani families revealed 13 pathogenic or likely pathogenic variants in the genes GJB2, MYO7A, FGF3, CDC14A, SLITRK6, CDH23, and MYO15A, with an overall resolve rate of 61.9%. GJB2 and MYO7A were the most frequently involved genes in this cohort. All the identified variants were either homozygous or compound heterozygous, with two of them not previously described in the literature (15.4%). Overall, seven missense variants (53.8%), three nonsense variants (23.1%), two frameshift variants (15.4%), and one splice-site variant (7.7%) were observed. Syndromic HL was identified in five (23.8%) of the 21 families studied. This study reflects the extreme genetic heterogeneity observed in HL and expands the spectrum of variants in deafness-associated genes.
Community-acquired (CA) Staphylococcus aureus cause various diseases even in healthy individuals. Enhanced virulence of CA-strains is partly attributed to increased production of toxins such as phenol-soluble modulins (PSM). The pathogen is internalized efficiently by mammalian host cells and intracellular S. aureus has recently been shown to contribute to disease. Upon internalization, cytotoxic S. aureus strains can disrupt phagosomal membranes and kill host cells in a PSM-dependent manner. However, PSM are not sufficient for these processes. Here we screened for factors required for intracellular S. aureus virulence. We infected escape reporter host cells with strains from an established transposon mutant library and detected phagosomal escape rates using automated microscopy. We thereby, among other factors, identified a non-ribosomal peptide synthetase (NRPS) to be required for efficient phagosomal escape and intracellular survival of S. aureus as well as induction of host cell death. By genetic complementation as well as supplementation with the synthetic NRPS product, the cyclic dipeptide phevalin, wild-type phenotypes were restored. We further demonstrate that the NRPS is contributing to virulence in a mouse pneumonia model. Together, our data illustrate a hitherto unrecognized function of the S. aureus NRPS and its dipeptide product during S. aureus infection.
Fanconi-Anämie (FA) ist, mit Ausnahme von Mutationen in FANCR/RAD51, eine autosomal-rezessive oder X-chromosomal vererbte Krankheit, die sich durch eine ausgesprochene klinische als auch genetische Heterogenität auszeichnet. Neben einem fortschreitenden Knochenmarksversagen zählen zu den typischen Merkmalen eine Vielzahl an angeborenen Fehlbildungen, wie beispielsweise Radialstrahlanomalien, Minderwuchs oder Pigmentierungsstörungen. Zudem besteht für FA-Patienten ein überdurchschnittlich hohes Risiko bereits in jungen Jahren an akuter myeloischer Leukämie oder soliden Tumoren zu erkranken. Bislang konnten in 21 FA-Genen (FANCA, -B, -C, - D1, -D2, -E, -F, -G, -I, -J, -L, -M, -N, -O, -P, -Q, -R, -S, -T, -U oder -V) krankheitsverursachende Mutationen identifiziert werden, deren Proteinprodukte maßgeblich an der Aufrechterhaltung der Genomstabilität beteiligt sind und Komponenten des FA/BRCA-DNA-Reparaturweges darstellen. In der klassischen FA-Mutationsanalyse kommen meist Sanger-Sequenzierungen sowie MLPA- und Immunblot-Analysen zum Einsatz. Da im Wesentlichen keine Genotyp-Phänotyp-Korrelation besteht, gestaltet sich, gerade bei seltenen FA-Komplementationsgruppen, der Nachweis von krankheitsverursachenden Mutationen oftmals sehr zeit- und kostenintensiv. Während der letzten Jahre wurden verschiedene Strategien zur Anreicherung und Sequenzierung entwickelt, welche die parallele Sequenzanalyse einzelner ausgewählter Gene, ganzer Exome oder sogar des gesamten Genoms und somit eine kosten- und zeiteffiziente Mutationsanalyse ermöglichen. In der vorliegenden Arbeit wurden unterschiedliche Anreicherungsmethoden mit anschließender Hochdurchsatzsequenzierung auf ihre Anwendbarkeit in der molekulargenetischen FA-Diagnostik getestet, um klassische Mutationsanalyse-Methoden zu ergänzen oder möglicherweise sogar ganz ersetzen zu können.
Der erste Teil der Arbeit befasste sich mit der Etablierung eines FA-spezifischen Genpanels zur Genotypisierung von FA-Patienten. Nachdem die Methode zunächst anhand von FA-Patienten mit bekannten Mutationen optimiert werden musste, erwies sie sich als effizienter Ansatz zum Nachweis krankheitsverursachender Mutationen bei FA-Patienten unbekannter Komplementationsgruppe. Durch die FA-Panelanalyse konnten 37 von 47 unklassifizierten Patienten einer FA-Komplementationsgruppe zugeordnet werden, indem deren kausalen Mutationen bestimmt wurden. In einem weiteren Ansatz sollte die Anwendbarkeit eines kommerziellen Anreicherungspanels zur FA-Diagnostik untersucht werden. Auch hier konnte ein Großteil der krankheitsverursachenden Mutationen von fünf bekannten wie auch 13 nicht zugeordneten FA-Patienten detektiert und somit eine molekulargenetische Diagnose bei neun weiteren, zuvor unklassifizierten FA-Patienten, gestellt werden. Ferner wurden sechs ausgewählte Patienten, zusätzlich zur Panelanreicherung, per Exomanalyse untersucht. Zum einen konnten Mutationen in bekannten FA-Genen bestätigt oder neu identifiziert werden. Zum anderen wurden auch potentiell pathogene Mutationen in DNA-Reparaturgenen außerhalb des FA/BRCA-Signalweges bei zwei Patienten mit unbestätigter Verdachtsdiagnose FA verifiziert. So wurde bei mehreren Mitgliedern einer Familie mit unterschiedlichen Tumorerkrankungen eine zuvor unbeschriebene homozygote Nonsense-Mutation in der BER-Glykosylase NTHL1 nachgewiesen, für welche bislang erst zwei pathogene Mutationen als Auslöser eines neuen Krebssyndroms bekannt sind. Bei einem weiteren Patienten wurden compound-heterozygote Mutationen in RPA1 detektiert, ein Gen für das bislang noch kein Krankheitsbild bekannt ist. Mit Hilfe der drei verschiedenen Anreicherungsstrategien konnten insgesamt 47 von 60 unklassifizierten FA-Patienten 13 verschiedenen Komplementationsgruppen eindeutig zugeordnet werden. Es zeigte sich dabei ein breites Spektrum an neuen, bislang unbeschriebenen FA-Mutationen. Den größten Anteil an der Gesamtzahl der nachgewiesenen Mutationen hatten Spleißmutationen, die auf eine Auswirkung auf das kanonische Spleißmuster untersucht wurden, um einen pathogenen Effekt nachweisen zu können.
Weiterhin schloss die Arbeit die Charakterisierung einzelner FA-Patienten bzw. Komplementationsgruppen mit ein. Dazu zählen die seltenen Untergruppen FA-T und FA-Q, für die jeweils ein neuer Patient identifiziert werden konnte. Durch die funktionelle Charakterisierung der dritten jemals beschriebenen FA-Q-Patientin konnten Einblicke in das Zusammenspiel der Reparatur von DNA-Quervernetzungen und der Nukleotidexzisionsreparatur gewonnen und die phänotypische Variabilität von FA durch die subjektive als auch zelluläre UV-Sensitivität der Patientin ergänzt werden. Darüber hinaus konnte das Mutationsspektrum in FA-I sowie FA-D2 erweitert werden. Eine genauere Untersuchung der Pseudogenregionen von FANCD2 ermöglichte dabei die gezielte Mutationsanalyse des Gens.
Insgesamt konnten die Ergebnisse dieser Arbeit dazu beitragen, das Mutationsspektrum in FA zu erweitern und durch die Identifizierung und Charakterisierung einzelner Patienten neue Einblicke in verschiedene Komponenten des FA/BRCA-Signalweges zu erhalten. Es zeigte sich, dass neue DNA-Sequenzierungsstrategien in der FA-Diagnostik eingesetzt werden können, um eine effiziente Mutationsanalyse zu gewährleisten und klassische Methoden in Teilbereichen zu ersetzen.