Die Interaktion von VHL und PTEN bei der Tumorinitiation und Progression

Das VHL-Syndrom umfasst Erkrankungen, die mit einem Funktionsverlust von VHL einhergehen. Das Tumorspektrum umfasst retinale und zerebrale Hämangioblastome, Nierenzysten und klarzellige Nierenkarzinome, Zysten und Tumore des Pankreas, Phäochromocytome, Adenome der Hoden und Tumore des Mittelohrs. Obwohl aufgrund klinischer Studien bekannt ist, welche VHL-Mutation mit welchen Neoplasien assoziiert werden können, konnte bisher kein VHL-Mausmodell das Krankheitsbild des VHL-Syndroms widerspiegeln. Daher ist vermutlich eine zusätzliche Fehlregulation weiterer Gene nötig ist, um die Tumorgenese in den verschiedenen Geweben zu induzieren. In mehreren klarzelligen Nierenkarzinomen konnte bereits eine PTEN-Defizienz nachgewiesen werden, der Verlust von PTEN wird außerdem auch mit der Tumorgenese von Phäochromocytomen assoziiert. Möglicherweise wirken VHL und PTEN also in der Tumorsuppression in der Niere und der Nebenniere zusammen.rnIm Rahmen dieser Arbeit konnte erstmals eine VHL-vermittelte Stabilisierung der PTEN-Konzentration sowohl in embryonalen als auch in Tumor-Zellen der Niere nachgewiesen werden. Die Analyse des Regulationsmechanismus ergab erstens eine Hypoxie-abhängige Abnahme der Transkription von PTEN. Des Weiteren konnte eine VHL-vermittelte Ubiquitinylierung von NEDD4-1, welches als E3-Ligase von PTEN dessen Degradation und Kerntransport reguliert, ermittelt werden. rnIn Nierenkarzinom-Zellen wurde weiterhin eine VHL- bzw. PTEN-Restitution induziert, um die Auswirkungen der beiden Tumorsuppressoren auf das Zellverhalten in vitro und in vivo zu untersuchen. Sowohl VHL als auch PTEN hatten dieselben Effekte lediglich in unterschiedlicher Intensität auf das Verhalten der Zellen. So konnte VHL- und PTEN-abhängig eine Verstärkung der Adhäsion, eine Inhibierung der Migration und eine Verminderung der Überlebens- und Metastasierungsfähigkeit nachgewiesen werden. Des Weiteren wurden Mausmodelle mit einem ubiquitären, heterozygoten Pten-Verlust generiert, die teilweise eine zusätzliche Haploinsuffizienz von Vhl bzw. eine heterozygote VHL Typ II-Mutation (V2B oder V2C) trugen. Sporadisch entwickelten diese Mäuse Vhl-abhängig Lebertumore und Pten-abhängig Lymphome und Ovarialkarzinome. Einige Mäuse mit einer kombinierten Vhl- und Pten-Defizienz bildeten zusätzlich Nierenzysten aus, die teilweise das gesamte Volumen der Niere einnahmen. Besonders häufig entstanden in Pten-haploinsuffizienten Mäusen Phäochromocytome, die durch eine zusätzliche V2B- oder V2C-Mutation in gleichaltrigen Mäusen deutlich weiterentwickelt waren. Demnach induziert erst der gemeinsame Verlust von Vhl und Pten die Bildung von Nierenzysten und Phäochromocytomen, welche dem Krankheitsbild des VHL-Syndroms zugeordnet werden.rnDie Untersuchungen innerhalb dieser Arbeit zeigen erstmalig die Interaktion und Kooperation von VHL und PTEN in der Tumorsuppression. Die Resultate bieten außerdem die Grundlage für weitere Analysen der Auswirkung der VHL-vermittelten PTEN-Stabilisierung und für detailliertere Untersuchungen der durch die kombinierte Vhl- und Pten-Defizienz induzierten Neoplasien der Niere und der Nebennieren-Tumore in in vivo Mausmodellen.rn

Untersuchung der physiologischen Rolle des Wilms-Tumorgens 1 (WT1) im Rahmen der Generierung muriner in-vivo-Modelle für die Wilms-Tumorerkrankung

Der Wilms-Tumor ist eine embryonale Tumorerkrankung der Niere, als deren Ursprung Nierenvorläuferzellen des metanephrischen Mesenchyms gelten, deren Differenzierung während der frühen Nephrogenese ausbleibt und aus denen nachfolgend durch eine maligne Transformation Wilms-Tumore entstehen. Zwei Gene, die an der Wilms-Tumorgenese beteiligt zu sein scheinen, sind WT1 (Wilms-Tumorgen 1) und CTNNB1 (Catenin, cadherin-associated protein, beta 1). Während WT1 u.a. die Differenzierung des metanephrischen Mesenchyms steuert, begünstigen aktivierende Mutationen von CTNNB1 und eine dadurch bedingte Akkumulation seines Proteins β-Catenin die Tumorgenese vieler Organe. So verwundert es nicht, dass eine alleinige heterozygote Keimbahnmutation von WT1, die einen dominant-negativen Effekt auf funktionsfähiges WT1 ausübt, häufig zur Entstehung von Wilms-Tumoren in Patienten mit Denys-Drash-Syndrom (DDS) führt, sowie in etwa 15 % aller sporadischen Wilms-Tumore WT1 und CTNNB1 mutiert sind.rnDer Mechanismus der Entstehung von Wilms-Tumoren ist weitgehend unbekannt, was u.a. daran liegt, dass homozygote Wt1-Mutationen in der Maus embryonal (~ Tag 13,5 d.p.c.) letal sind. In der vorliegenden Arbeit sollten daher mit Hilfe einer Wt1 k.o.-Effektormaus (WE2) vier murine konditional reversible Wilms-Tumor-Modelle auf Basis des Tet off-Systems hergestellt werden. Dadurch lag in den zu generierenden Tieren Wt1 durch die Integration des WE2-Transgens zwar nur heterozygot mutiert vor, doch durch den endogenen Wt1-Promotor des Transgens sollte es zur zeitlichen und räumlichen Wt1-analogen Expression eines tetrazyklinabhängigen Transaktivators (tTA) kommen, der ohne die Gabe von Doxycyclin Tet-regulierbare Transgene in Wt1-exprimierenden Zellen aktivieren kann, die einen positiven Einfluss auf die Wilms-Tumorgenese haben könnten. So sollte durch das WE2 DDS-Modell ein DDS simuliert werden und es in Tieren der Modelle WE2 TC bCat∆Ex3, WE2 LC bCat∆Ex3 und WE2 Wnt1 zur Akkumulation von β-Catenin in Wt1-exprimierenden Nierenvorläuferzellen kommen, so dass deren Differenzierung ausbleibt und es durch eine maligne Transformation zur Entstehung eines Wilms-Tumors kommt.rnrnMit Hilfe von histologischen Analysen an entsprechenden Responder-Linien konnte zunächst gezeigt werden, dass die embryonale und adulte Expressionsdomäne des WE2-Effektors mit der von endogenen Wt1 übereinstimmt. Gleichzeitig wurden aber auch neue Expressionsorte von Wt1 nachgewiesen. So konnte die Expression des WE2-Effektors z.B. im Endothel der dorsalen Aorta detektiert werden, der als Entstehungsort von hämatopoetischen Stammzellen gilt. Anschließende hier vorgestellte Experimente zeigten, dass Wt1 direkt an diesem Prozess beteiligt ist und belegten eine noch nicht beschriebene Funktion von Wt1 in der frühen Hämatopoese.rnEs war jedoch mit keinem System möglich, eine Wilms-Tumorerkrankung zu simulieren. Während Tiere des WE2 DDS-Modells trotz nachweisbarer Induktion keinen Phänotyp aufwiesen, war wohl in den anderen Modellen eine konstitutive β-Catenin-Aktivierung in der Frühschwangerschaft nicht mit dem embryonalen Überleben vereinbar. Dabei schienen alle tripeltransgenen bzw. doppeltransgenen Embryonen, in denen durch einen frühen Doxycyclinentzug die Entstehung von Wilms-Tumoren möglich gewesen wäre, intrauterin zu sterben. Wurde dagegen Doxycyclin erst in der dritten Lebenswoche entzogen, so entwickelten die Tiere durch eine Wt1-vermittelte β-Catenin-Aktivierung Granulosazelltumore, polyzystische Nieren und Veränderungen der Hoden. Da alle diese organischen Veränderungen während der prä- bis frühen postnatalen Phase induziert wurden, schien die Doxycyclinmenge nicht auszureichen, um eine β-Catenin-Aktivierung zu verhindern. Es hätte also auch zur Entstehung von Wilms-Tumoren kommen können, so dass diese Ergebnisse darauf hinweisen, dass eine β-Catenin-Aktivierung wahrscheinlich nicht der physiologisch entscheidende Schritt bei der Entstehung eines Wilms-Tumors ist.rnrnDie Charakterisierung der WE2-Effektormaus und die Herstellung und Analysen der Systeme geben damit Einblick in die WT1- bzw. WT1/CTNNB1-assoziierte Wilms-Tumorgenese und ermöglichen die weitere Erforschung von Granulosazelltumoren, polyzystsischen Nieren, Veränderungen von Hoden und der Rolle von WT1 in der frühen Hämatopoese.rn

Der Einfluss von Chemotherapeutika mit Hypoxie-induzierbarer Faktor (HIF)-modulierendem Potential sowie eines Verlustes des HIF-Regulators von Hippel-Lindau (VHL) auf den Phänotyp und die Funktion dendritischer Zellen

Der Transkriptionsfaktor Hypoxie-induzierbarer Faktor (HIF) gibt dem Organismus die Möglichkeit, sich auf zellulärer Ebene an unterschiedliche Sauerstoffverhältnisse anzupassen. Vor allem Tumorzellen weisen aufgrund ihres ungeregelten Wachstums und der daraus resultierenden unzureichenden Durchblutung (hypoxisches Milieu) eine erhöhte HIF-Expression auf. Die erhöhte HIF-Expression stellt somit ein interessantes Ziel in der Tumortherapie dar. Dendritische Zellen (DCs) besitzen eine bedeutende Rolle in der Generierung und Modulierung von Antitumor-Immunantworten. Aus diesem Grund ist es überaus wichtig zu wissen, welche Effekte Antitumor-Agenzien, im Besonderen HIF-Inhibitoren, auf DCs und somit auch auf die Generierung von adäquaten Immunantworten besitzen.rnIm ersten Teil dieser Arbeit wurde aus diesem Grund der Einfluss der Antitumor-Agenzien Geldanamycin (GA) und Topotecan (TPT) auf den Phänotyp und die Funktion von DCs untersucht. Hierfür wurden Monozyten aus humanen, mononukleären, peripheren Blutzellen isoliert und unter DC-differenzierenden Konditionen kultiviert. Diese immaturen monozytenabgeleiteten DCs (Mo-DCs) wurden mithilfe eines Reifungscocktails ausgereift. Die Applikation der Antitumor-Agenzien erfolgte während der Differenzierungs- bzw. Ausreifungsphase. Abhängig vom Reifungsgrad der Mo-DCs konnte ein differentieller Einfluss von GA bzw. TPT auf die DC-Aktivierung beobachtet werden. Eine Behandlung von unstimulierten Mo-DCs mit GA resultierte in einer partiellen DC-Aktivierung basierend auf einem noch unbekannten Mechanismus. Ebenso führte eine Behandlung von unstimulierten Mo-DCs mit TPT zu einer funktionellen Aktivierung der DCs, die mit einer vermehrten AKT-Expression korrelierte. Die jeweilige Koapplikation der Antitumor-Agenzien mit dem DC-Reifungscocktail führte zu einer reduzierten DC-Aktivierung, die sich in einer verminderten NF-κB-Aktivierung, einer verringerten Oberflächenexpression der getesteten kostimulatorischen Moleküle, einer verringerten Migrationsfähigkeit und einem reduzierten Zellstimulierungspotential widerspiegelte.rnDie autosomal dominant vererbte Tumorerkrankung von Hippel-Lindau (VHL) wird häufig durch genetische Mutationen des als HIF-Negativregulator fungierenden VHL-Gens hervorgerufen. Patienten, die an dem VHL-Syndrom erkrankt sind, weisen oft benigne oder maligne Tumore und Zysten in den verschiedensten Organsystemen auf. Wie schon zuvor erwähnt, besitzen DCs eine essentielle Rolle in der Initiierung und Aufrechterhaltung von Antitumor-Immunantworten. Deshalb wurde im zweiten Abschnitt der vorliegenden Arbeit untersucht, inwieweit ein partieller Verlust von VHL Auswirkungen auf die Ausprägung desrnPhänotyps und der Funktion von DCs hat. Mittels Cre/lox-Technologie wurden transgene Mäuse mit einem heterozygoten Verlust von Exon 1 bzw. Exon 2 des VHL-Gens generiert. Aus diesen Mäusen wurden Knochenmarkszellen isoliert und unter DC-differenzierenden Konditionen kultiviert. Die immaturen knochenmarkabgeleiteten DCs (BM-DCs) wurden mit LPS ausgereift. Weder der heterozygote Verlust von Exon 1 noch von Exon 2 des VHL-Gens bewirkte eine Veränderung der Oberflächenmarkerexpression, der in vitro-Migrations- undrnEndozytosekapazität, sowie der allogenen T-Zellstimulierungskapazität. Allerdings zeigten Mäuse mit einem partiellen Verlust von Exon 2 im Vergleich zu Kontrollmäusen nach Immunisierung und Provokation mit dem Modellallergen OVA eine verminderte Atemwegshyperreaktion, die möglicherweise auf die beobachtete Abnahme der Migrationsfähigkeit in vivo und die verminderte OVA-spezifische T-Zellstimulierungskapazität der DCs zurückzuführen ist.

Interaction between serotonin 5-HT2A receptor gene and dopamine transporter (DAT1) gene polymorphisms influences personality trait of persistence in Austrian Caucasians

We examined 89 normal volunteers using Cloninger's Temperament and Character Inventory (TCI). Genotyping the 102T/C polymorphism of the serotonin 5HT2A receptor gene and the ser9gly polymorphism in exon 1 of the dopamine D3 receptor (DRD3) gene was performed using PCR-RFLP, whereas the dopamine transporter (DAT1) gene variable number of tandem repeats (VNTR) polymorphism was investigated using PCR amplification followed by electrophoresis in an 8% acrylamide gel with a set of size markers. We found a nominally significant association between gender and harm avoidance (P=0.017; women showing higher scores). There was no association of either DAT1, DRD3 or 5HT2A alleles or genotypes with any dimension of the TCI applying Kruskal-Wallis rank-sum tests. Comparing homozygote and heterozygote DAT1 genotypes, we found higher novelty seeking scores in homozygotes (P=0.054). We further found a nominally significant interaction between DAT1 and 5HT2A homo-/heterozygous gene variants (P=0.0071; DAT1 and 5HT2A genotypes P value of 0.05), performing multivariate analysis of variance (MANOVA). Examining the temperamental TCI subscales, this interaction was associated with persistence (genotypes: P=0.004; homo-/heterozygous gene variants: P=0.0004). We conclude that an interaction between DAT1 and 5HT2A genes might influence the temperamental personality trait persistence.

Molecular and biochemical characterisation of a novel mutation in POLG associated with Alpers syndrome

Background DNA polymerase γ (POLG) is the only known mitochondrial DNA (mtDNA) polymerase. It mediates mtDNA replication and base excision repair. Mutations in the POLG gene lead to reduction of functional mtDNA (mtDNA depletion and/or deletions) and are therefore predicted to result in defective oxidative phosphorylation (OXPHOS). Many mutations map to the polymerase and exonuclease domains of the enzyme and produce a broad clinical spectrum. The most frequent mutation p.A467T is localised in the linker region between these domains. In compound heterozygote patients the p.A467T mutation has been described to be associated amongst others with fatal childhood encephalopathy. These patients have a poorer survival rate compared to homozygotes. Methods mtDNA content in various tissues (fibroblasts, muscle and liver) was quantified using quantitative PCR (qPCR). OXPHOS activities in the same tissues were assessed using spectrophotometric methods and catalytic stain of BN-PAGE. Results We characterise a novel splice site mutation in POLG found in trans with the p.A467T mutation in a 3.5 years old boy with valproic acid induced acute liver failure (Alpers-Huttenlocher syndrome). These mutations result in a tissue specific depletion of the mtDNA which correlates with the OXPHOS-activities. Conclusions mtDNA depletion can be expressed in a high tissue-specific manner and confirms the need to analyse primary tissue. Furthermore, POLG analysis optimises clinical management in the early stages of disease and reinforces the need for its evaluation before starting valproic acid treatment.

Characterization of novel StAR (steroidogenic acute regulatory protein) mutations causing non-classic lipoid adrenal hyperplasia

Context Steroidogenic acute regulatory protein (StAR) is crucial for transport of cholesterol to mitochondria where biosynthesis of steroids is initiated. Loss of StAR function causes lipoid congenital adrenal hyperplasia (LCAH). Objective StAR gene mutations causing partial loss of function manifest atypical and may be mistaken as familial glucocorticoid deficiency. Only a few mutations have been reported. Design To report clinical, biochemical, genetic, protein structure and functional data on two novel StAR mutations, and to compare them with published literature. Setting Collaboration between the University Children's Hospital Bern, Switzerland, and the CIBERER, Hospital Vall d'Hebron, Autonomous University, Barcelona, Spain. Patients Two subjects of a non-consanguineous Caucasian family were studied. The 46,XX phenotypic normal female was diagnosed with adrenal insufficiency at the age of 10 months, had normal pubertal development and still has no signs of hypergonodatropic hypogonadism at 32 years of age. Her 46,XY brother was born with normal male external genitalia and was diagnosed with adrenal insufficiency at 14 months. Puberty was normal and no signs of hypergonadotropic hypogonadism are present at 29 years of age. Results StAR gene analysis revealed two novel compound heterozygote mutations T44HfsX3 and G221S. T44HfsX3 is a loss-of-function StAR mutation. G221S retains partial activity (~30%) and is therefore responsible for a milder, non-classic phenotype. G221S is located in the cholesterol binding pocket and seems to alter binding/release of cholesterol. Conclusions StAR mutations located in the cholesterol binding pocket (V187M, R188C, R192C, G221D/S) seem to cause non-classic lipoid CAH. Accuracy of genotype-phenotype prediction by in vitro testing may vary with the assays employed.

Clinical and biochemical description of a novel CYP21A2 gene mutation 962_963insA using a new 3D model for the P450c21 protein

OBJECTIVE: A severely virilized 46, XX newborn girl was referred to our center for evaluation and treatment of congenital adrenal hyperplasia (CAH) because of highly elevated 17alpha-hydroxyprogesterone levels at newborn screening; biochemical tests confirmed the diagnosis of salt-wasting CAH. Genetic analysis revealed that the girl was compound heterozygote for a previously reported Q318X mutation in exon 8 and a novel insertion of an adenine between nucleotides 962 and 963 in exon 4 of the CYP21A2 gene. This 962_963insA mutation created a frameshift leading to a stop codon at amino acid 161 of the P450c21 protein. AIM AND METHODS: To better understand structure-function relationships of mutant P450c21 proteins, we performed multiple sequence alignments of P450c21 with three mammalian P450s (P450 2C8, 2C9 and 2B4) with known structures as well as with human P450c17. Comparative molecular modeling of human P450c21 was then performed by MODELLER using the X-ray crystal structure of rabbit P450 2B4 as a template. RESULTS: The new three dimensional model of human P450c21 and the sequence alignment were found to be helpful in predicting the role of various amino acids in P450c21, especially those involved in heme binding and interaction with P450 oxidoreductase, the obligate electron donor. CONCLUSION: Our model will help in analyzing the genotype-phenotype relationship of P450c21 mutations which have not been tested for their functional activity in an in vitro assay.

Plakoglobin deficiency protects keratinocytes from apoptosis

The armadillo family protein plakoglobin (Pg) is a well-characterized component of anchoring junctions, where it functions to mediate cell-cell adhesion and maintain epithelial tissue integrity. Although its closest homolog beta-catenin acts in the Wnt signaling pathway to dictate cell fate and promote proliferation and survival, the role of Pg in these processes is not well understood. Here, we investigate how Pg affects the survival of mouse keratinocytes by challenging both Pg-null cells and their heterozygote counterparts with apoptotic stimuli. Our results indicate that Pg deletion protects keratinocytes from apoptosis, with null cells exhibiting delayed mitochondrial cytochrome c release and activation of caspase-3. Pg-null keratinocytes also exhibit increased messenger RNA and protein levels of the anti-apoptotic molecule Bcl-X(L) compared to heterozygote controls. Importantly, reintroduction of Pg into the null cells shifts their phenotype towards that of the Pg+/- keratinocytes, providing further evidence that Pg plays a direct role in regulating cell survival. Taken together, our results suggest that in addition to its adhesive role in epithelia, Pg may also function in contrast to the pro-survival tendencies of beta-catenin, to potentiate death in cells damaged by apoptotic stimuli, perhaps limiting the potential for the propagation of mutations and cellular transformation.Journal of Investigative Dermatology advance online publication, 16 November 2006; doi:10.1038/sj.jid.5700615.

A common ancestral glycoprotein (GP) 9 1828A>G (Asn45Ser) gene mutation occurring in European families from Australia and Northern Europe with Bernard-Soulier Syndrome (BSS)

Bernard-Soulier syndrome (BSS) is an extremely rare hereditary bleeding disorder, caused by mutations occurring in the Glycoprotein (GP) Ibalpha, GPIbbeta and GP9 genes that encode for the corresponding subunits of platelet GPIb-V-IX adhesion receptor complex. BSS has been reported in many populations, mostly behaving in an autosomal-recessive manner.While the great majority of BSS mutations are unique to a single individual or family, the GP9 1828A>G Asn45Ser mutation, which we have identified in an undocumented Australian Caucasian, has already been reported in multiple unrelated Caucasian families from various Northern and Central European countries. Haplotype analysis of 19 BSS patients from 15 unrelated Northern European families (including 2 compound heterozygote siblings from a British family previously published, and 17 1828A>G Asn45Ser homozygotes), showed that 14 of these BSS patients from 11 of the 1828A>G Asn45Ser homozygote families share a common haplotype at the chromosomal region 3' to the GP9 gene. Hence, the results suggest that the GP9 1828A>GAsn45Ser mutation in these families is ancient, and its frequent emergence in the European population is the result of a founder effect rather than recurrent mutational events. Association of the 1828A>G Asn45Ser mutation with variant haplotypes in 4 other Northern European BSS families raised the possibility of a second founder event, or rare recombinations in these families. Additional members from these 'atypical' lineages would need to be screened to resolve this question.

Pseudodominant Inheritance of Goitrous Congenital Hypothyroidism Caused by TPO Mutations: Molecular and in Silico Studies

Context and Objective: Most cases of goitrous congenital hypothyroidism (CH) from thyroid dyshormonogenesis 1) follow a recessive mode of inheritance and 2) are due to mutations in the thyroid peroxidase gene (TPO). We report the genetic mechanism underlying the apparently dominant inheritance of goitrous CH in a nonconsanguineous family of French Canadian origin. Design, Setting, and Participants: Two brothers identified by newborn TSH screening had severe hypothyroidism and a goiter with increased (99m)Tc uptake. The mother was euthyroid, but the father and two paternal uncles had also been diagnosed with goitrous CH. After having excluded PAX8 gene mutations, we hypothesized that the underlying defect could be TPO mutations. Results: Both compound heterozygous siblings had inherited a mutant TPO allele carried by their mother (c.1496delC; p.Pro499Argfs2X), and from their father, one brother had inherited a missense mutation (c.1978C-->G; p.Gln660Glu) and the other an insertion (c.1955insT; p.Phe653Valfs15X). The thyroid gland of one uncle who is a compound heterozygote for TPO mutations (p.Phe653Valfs15X/p.Gln660Glu) was removed because of concurrent multiple endocrine neoplasia type 2A. Immunohistochemistry revealed normal TPO staining, implying that Gln660Glu TPO is expressed properly. Modeling of this mutant in silico suggests that its three-dimensional structure is conserved, whereas the electrostatic binding energy between the Gln660Glu TPO and its heme group becomes repulsive. Conclusion: We report a pedigree presenting with pseudodominant goitrous CH due to segregation of three different TPO mutations. Although goitrous CH generally follows a recessive mode of inheritance, the high frequency of TPO mutations carriers may lead to pseudodominant inheritance.

Role of CYP27A1 in progesterone metabolism in vitro and in vivo

In the kidney, progesterone is inactivated to 20alpha-dihydro-progesterone (20alpha-DH-progesterone) to protect the mineralocorticoid receptor from progesterone excess. In an attempt to clone the enzyme with 20alpha-hydroxysteroid activity using expression cloning in CHOP cells and a human kidney expression library, serendipitously cDNA encoding CYP27A1 was isolated. Overexpression of CYP27A1 in CHOP cells decreased progesterone conversion to 20alpha-DH-progesterone in a dose-dependent manner, an effect enhanced by cotransfection with adrenodoxin and adrenodoxin reductase. Incubation of CHOP cells with 27-hydroxycholesterol, a product of CYP27A1, increased the ratio of progesterone/20alpha-DH-progesterone in a concentration-dependent manner, indicating that the effect of CYP27A1 overexpression was mediated by 27-hydroxycholesterol. In order to analyze whether these observations are relevant in vivo, progesterone and 20alpha-DH-progesterone were measured by GC-MS in 24-h urine of CYP27A1 gene knock out (ko) mice and their control wild type (wt) and heterozygote (hz) littermates. In CYP27A1 ko mice, urinary progesterone concentrations were decreased, 20alpha-DH-progesterone increased and the progesterone/20alpha-DH-progesterone ratio decreased threefold (p<0.001). Thus, CYP27A1 modulates progesterone concentrations. The underlying mechanism is inhibition of 20alpha-hydroxysteroid dehydrogenase by 27-hydroxycholesterol. Key words: Progesterone, sterol 27-hydroxylase, 27-hydroxycholesterol, 20a-steroid dehydrogenase, 20a-DH-progesterone.

A novel mutation L260P of the steroidogenic acute regulatory protein gene in three unrelated patients of Swiss ancestry with congenital lipoid adrenal hyperplasia.

CONTEXT Lipoid congenital adrenal hyperplasia (CAH) is the most severe form of CAH leading to impaired production of all adrenal and gonadal steroids. Mutations in the gene encoding steroidogenic acute regulatory protein (StAR) cause lipoid CAH. OBJECTIVE We investigated three unrelated patients of Swiss ancestry who all carried novel mutations in the StAR gene. All three subjects were phenotypic females with absent Müllerian derivatives, 46,XY karyotype, and presented with adrenal failure. METHODS AND RESULTS StAR gene analysis showed that one patient was homozygous and the other two were heterozygous for the novel missense mutation L260P. Of the heterozygote patients, one carried the novel missense mutation L157P and one had a novel frameshift mutation (629-630delCT) on the second allele. The functional ability of all three StAR mutations to promote pregnenolone production was severely attenuated in COS-1 cells transfected with the cholesterol side-chain cleavage system and mutant vs. wild-type StAR expression vectors. CONCLUSIONS These cases highlight the importance of StAR-dependent steroidogenesis during fetal development and early infancy; expand the geographic distribution of this condition; and finally establish a new, prevalent StAR mutation (L260P) for the Swiss population.

Clinical, genetic, and functional characterization of adrenocorticotropin receptor mutations using a novel receptor assay.

The ACTH receptor (MC2R) is expressed predominantly in the adrenal cortex, but is one of five G protein-coupled, seven-transmembrane melanocortin receptors (MCRs), all of which bind ACTH to some degree. Testing of MC2R activity is difficult because most cells express endogenous MCRs; hence, ACTH will elicit background activation of assayable reporter systems. Inactivating mutations of MC2R lead to hereditary unresponsiveness to ACTH, also known as familial glucocorticoid deficiency (FGD). These patients are usually seen in early childhood with very low cortisol concentrations, normal mineralocorticoids, hyperpigmentation, and increased bodily growth. Several MC2R mutations have been reported in FGD, but assays of the activities of these mutants are cumbersome. We saw two patients with typical clinical findings of FGD. Genetic analysis showed that patient 1 was homozygous for the mutation R137W, and patient 2 was a compound heterozygote for S74I and Y254C. We tested the activity of these mutations in OS-3 cells, which are unresponsive to ACTH but have intact downstream cAMP signal transduction. OS-3 cells transfected with a cAMP-responsive luciferase reporter plasmid (pCREluc) were unresponsive to ACTH, but cotransfection with a vector expressing human MC2R increased luciferase activity more than 40-fold. Addition of ACTH to cells cotransfected with the pCREluc reporter and wild-type MC2R activated luciferase expression with a 50% effective concentration of 5.5 x 10(-9) M ACTH, which is similar to previously reported values. By contrast, the MC2R mutant R137W had low activity, and the S74I or Y254C mutants elicited no measurable response. This assay provides excellent sensitivity in an easily assayed transient transfection system, providing a more rapid and efficient measurement of ACTH receptor activity.

Detection of nonrandom association of alleles from the distribution of the number of heterozygous loci in a sample.

The distribution of the number of heterozygous loci in two randomly chosen gametes or in a random diploid zygote provides information regarding the nonrandom association of alleles among different genetic loci. Two alternative statistics may be employed for detection of nonrandom association of genes of different loci when observations are made on these distributions: observed variance of the number of heterozygous loci (s2k) and a goodness-of-fit criterion (X2) to contrast the observed distribution with that expected under the hypothesis of random association of genes. It is shown, by simulation, that s2k is statistically more efficient than X2 to detect a given extent of nonrandom association. Asymptotic normality of s2k is justified, and X2 is shown to follow a chi-square (chi 2) distribution with partial loss of degrees of freedom arising because of estimation of parameters from the marginal gene frequency data. Whenever direct evaluations of linkage disequilibrium values are possible, tests based on maximum likelihood estimators of linkage disequilibria require a smaller sample size (number of zygotes or gametes) to detect a given level of nonrandom association in comparison with that required if such tests are conducted on the basis of s2k. Summarization of multilocus genotype (or haplotype) data, into the different number of heterozygous loci classes, thus, amounts to appreciable loss of information.

Simulation of Drosophila circadian oscillations, mutations, and light responses by a model with VRI, PDP-1, and CLK.

A model of Drosophila circadian rhythm generation was developed to represent feedback loops based on transcriptional regulation of per, Clk (dclock), Pdp-1, and vri (vrille). The model postulates that histone acetylation kinetics make transcriptional activation a nonlinear function of [CLK]. Such a nonlinearity is essential to simulate robust circadian oscillations of transcription in our model and in previous models. Simulations suggest that two positive feedback loops involving Clk are not essential for oscillations, because oscillations of [PER] were preserved when Clk, vri, or Pdp-1 expression was fixed. However, eliminating positive feedback by fixing vri expression altered the oscillation period. Eliminating the negative feedback loop in which PER represses per expression abolished oscillations. Simulations of per or Clk null mutations, of per overexpression, and of vri, Clk, or Pdp-1 heterozygous null mutations altered model behavior in ways similar to experimental data. The model simulated a photic phase-response curve resembling experimental curves, and oscillations entrained to simulated light-dark cycles. Temperature compensation of oscillation period could be simulated if temperature elevation slowed PER nuclear entry or PER phosphorylation. The model makes experimental predictions, some of which could be tested in transgenic Drosophila.