Molekulare Untersuchung des Wolf-Hirschhorn-Syndroms

Das Wolf-Hirschhorn-Syndrom (WHS) ist ein komplexes und variables Fehlbildungs- Retardierungssyndrom, das durch Deletion in der distalen Chromosomenregion 4p16.3 hervorgerufen wird und dessen Ätiologie und Pathogenese bisher weitgehend unverstanden sind. Die Zielsetzung in der vorliegenden Arbeit bestand in der Identifizierung und vorläufigen Charakterisierung neuer Gene, die an der Entstehung des Syndroms beteiligt sein könnten. Die Wolf-Hirschhorn-Syndrom-kritische Region (WHSCR) konnte zu Beginn der vorliegenden Arbeit auf einen ca. 2 Mb großen Bereich zwischen den Markern D4S43 und D4S142 eingegrenzt werden. Für die Identifizierung neuer Gene wurden zunächst drei größere genomische Cosmid-/PAC-Contigs (I-III) im Bereich der Marker D4S114 bis D4S142 erstellt und mittels Exonamplifikation auf transkribierte Bereiche (Exons) untersucht. Es konnten insgesamt 67 putative 'Exons' isoliert werden, von denen einige bereits bekannten Genen (ZNF141, PDEB, MYL5, GAK, DAGK4 und FGFR3) entsprechen. Zwei dieser Gene konnten im Rahmen dieser Arbeit erstmals (DAGK4) bzw. genauer (GAK) in die distale Region 4p16.3 kartiert werden. Die restlichen Exons können aufgrund von Homologievergleichen und/oder EST-cDNA-Homologien vermutlich neuen Genen oder auch Pseudogenen (z. B. YWEE1hu) zugeordnet werden. Durch die im Verlaufe der vorliegenden Arbeit publizierte weitere Eingrenzung der WHSCR auf einen 165 Kb-großen Bereich proximal des FGFR3-Gens konzentrierten sich weitere Untersuchungen auf die detaillierte Analyse der WHSCR zwischen dem Marker D4S43 und FGFR3. Mit Hilfe von Exonamplifikation bzw. computergestützter Auswertung vorliegender Sequenzdaten aus diesem Bereich ('GRAIL', 'GENSCAN' und Homologievergleiche in den EST-Datenbanken des NCBI) konnten mehrere neue Gene identifiziert werden. In distaler-proximaler Reihenfolge handelt es sich dabei um die Gene LETM1, 51, 43, 45, 57 und POL4P. LETM1 kodiert für ein putatives Transmembran-Protein mit einem Leucin-Zipper- und zwei EF-Hand-Motiven und könnte aufgrund seiner möglichen Beteiligung an der Ca2+-Homeostase und/oder der Signal-transduktion zu Merkmalen des WHS (Krampfanfällen, mentale Retardierung und muskuläre Hypotonie) beitragen. Das Gen 51 entspricht einem in etwa zeitgleich durch Stec et al. (1998) und Chesi et al. (1998) als WHSC1 bzw. MMSET bezeichnetem Gen und wurde daher nicht weiter charakterisiert. Es wird genauso wie das Gen 43, das zeitgleich von Wright et al. (1999b) als WHSC2 beschrieben werden konnte und eine mögliche Rolle bei der Transkriptionselongation spielt, ubiquitär exprimiert. Das in der vorliegenden Arbeit identifizierte Gen 45 zeigt demgegenüber ein ausgesprochen spezifisches Expressionsmuster (in Nervenzellen des Gehirns sowie in Spermatiden). Dies stellt zusammen mit der strukturellen Ähnlichkeit des putativen Genprodukts zu Signalmolekülen einen interessanten Zusammenhang zu Merkmalen des WHS (beispielsweise Kryptorchismus, Uterusfehlbildungen oder auch neurologische Defekte) her. Demgegenüber handelt es sich bei dem Gen 57 möglicherweise um ein trunkiertes Pseudogen des eRFS-Gens auf Chromosom 6q24 (Wallrapp et al., 1998). Das POL4P-Gen schließlich stellt allein aufgrund seiner genomischen Lokalisation sowie seiner möglichen Funktion (als DNA-Polymerase-ähnliches Gen) kein gutes Kandidatengen für spezifische Merkmale des Syndroms dar und wurde daher nicht im Detail charakterisiert. Um die Beteiligung der Gene an der Ätiologie und Pathogenese des Syndroms zu verstehen, ist die Entwicklung eines Mausmodells (über das Einfügen gezielter Deletionen in das Mausgenom) geplant. Um dies zu ermöglichen, wurde in der vorliegenden Arbeit die Charakterisierung der orthologen Region bei der Maus vorgenommen. Zunächst wurden die orthologen Gene der Maus (Letm1, Whsc1, Gen 43 (Whsc2h), Gen 45 und Pol4p) identifiziert. Durch die Erstellung sowie die genaue Kartierung eines murinen genomischen P1/PAC-Klon-Contigs konnte gezeigt werden, daß die murinen Gene Fgfr3, Letm1, Whsc1, Gen 43 (Whsc2h), Gen 45 und Pol4p sowie einige weitere der überprüften EST-cDNA-Klone der Maus in einem durchgehenden Syntänieblock zwischen Mensch (POL4P bis FGFR3) und Maus (Mmu 5.20) enthalten sind, der in seiner genomischen Ausdehnung in etwa den Verhältnissen beim Menschen (zwischen POL4P und FGFR3) entspricht.

Generierung und Charakterisierung von in-vitro- und in- vivo-Modellsystemen zur Untersuchung des Skelettsystems

Die Entstehung und Aufrechterhaltung von Knorpel- und Knochengewebe wird durch eine Vielzahl von hemmenden oder fördernden Faktoren hoch komplex reguliert, wobei die dabei involvierten physiologischen Prozesse bisher nur teilweise verstanden werden. Auch die Ursachen sowohl degenerativer Erkrankungen, aber auch durch Mutationen im FGFR3-Gen verursachter Chondrodysplasien sind in ihrer Ätiopathogenese noch nicht vollständig erforscht. In dieser Arbeit wurden verschiedene experimentelle Ansätze verfolgt, die zur weiteren Aufklärung der Pathophysiologie zweier unterschiedlicher Skeletterkrankungen beitragen sollten.rnEin relevantes Charakteristikum der degenerativen Gelenkserkrankung Osteoarthrose ist der Verlust an Aggrekan, hauptverantwortlich verursacht durch die Aggrekanase ADAMTS5. Es wurde ein Tiermodell generiert, bei dem gezielt mittels des Tet-ON-Systems die Aggrekanase mAdamts-5 überexprimiert werden kann. Nach Konstruktherstellung und Generierung als auch Charakterisierung des in vitro-Modells wurde das Tiermodell hergestellt, um die Folgen der Überexpression im Hinblick auf einen verstärkten Aggrekanabbau im Knorpel der Mäuse zu analysieren. Nach initialer Charakterisierung auf Induzierbarkeit zeigte eine Gründerlinie eine induzierbare transgene mAdamts5-Expression. Die Überprüfung auf Knorpelspezifität zeigte, sowohl embryonal als auch im adulten Tier, dass sich der verwendete, zusammengesetzte Kollagen-Typ II Promotor wie der endogene verhielt und somit funktional war. Nach Doxyzyklininduktion wurde bei der optimalen Dosis von 1 mg/ml im Vergleich zum induzierten Wildtyp-Tier eine 15%ige Abnahme des Gesamt-Glykosamino-glykan(GAG)-Gehaltes und eine um 120% erhöhte GAG-Abgabe ins Medium detektiert, was eine verstärkte Spaltung von Aggrekan bedeutete. Die transgene Aggrekanase wurde überexprimiert und spaltete verstärkt Aggrekan. Da aufgrund der histologischen Untersuchungen jedoch keine Knorpelerosionen feststellbar waren, konnte im Umkehrschluss gefolgert werden, dass der Knorpel einen Verlust an Glykosaminoglykanen bis zu einer gewissen Grenze tolerieren kann. Mit dem generierten und charakterisierten Tiermodell konnte mit dem Verlust an GAG eine Osteoarthrose-ähnliche Situation simuliert werden, insbesondere im Hinblick auf frühe Stadien der Erkrankung, bei denen noch keine makroskopisch eindeutig sichtbare Knorpelerosionen vorliegen. rnIm zweiten Teil der Arbeit wurden Zellkulturexperimente zur weiteren Aufklärung FGFR3-regulierter Prozesse durchgeführt. Nach Generierung und Verifizierung der stabilen Zelllinien, die mittels des Tet-ON-Systems das FGFR3-Gen mit jeweils einer Chondrodysplasie-assoziierten Mutation (Achondroplasie-Mutation G380R, Thanatophore Dysplasie Typ II-Mutation K650E) induzierbar überexprimieren, wurden die Auswirkungen der zwei verschiedenen Mutationen anhand bereits beschriebener Signalwege untersucht. Über die Rekrutierung des ERK-Signalweges konnte bei beiden Zelllinien die Funktionalität nachgewiesen werden, wobei die Zelllinie mit der einen schwereren Phänotyp beim Menschen verursachenden TDII-Mutation eine stärkere Aktivierung zeigte. Bei der Aktivierung von STAT1 wies nur die TDII-Zelllinie eine Phosphorylierung auf, nicht jedoch die ACH-Zelllinie; dies deckte sich mit bereits publizierten Untersuchungen. Beide Kaskaden zeigten eine unterschiedliche Signalantwort aufgrund der verschiedenen Mutationen. Des Weiteren konnte eine unterschiedliche MMP13-Zielgenexpression nachgewiesen werden, wobei lediglich die ACH-Zelllinie eine erhöhte MMP13-Expression (6-fach) zeigte. Zur Identifizierung neuer involvierter FGFR3-Zielgene wurde die differentielle Genexpression der TDII-Zelllinie im Vergleich induziert/nicht induziert mittels Microarray-Hybridisierung untersucht. Als interessantes Zielgen fiel STC1 auf, welches ebenfalls eine Rolle in der Chondrogenese spielt und bislang nicht mit FGFR3 in Verbindung gebracht wurde. Es konnte jedoch nur auf RNA-Ebene eine Regulation nachgewiesen werden. Nachfolgend durchgeführte transiente Experimente zeigten, dass die Wildtyp-Variante von FGFR3 möglicherweise eine Funktion in der Sekretion des Proteins STC1 hat und dass durch die beiden eingefügten Mutationen (ACH, TDII) diese aufgehoben ist. Der Einfluss von FGFR3 auf die Sekretion von STC1 stellt ein neues Ergebnis dar, insbesondere auch die Auswirkungen der beiden für die unterschiedlichen Krankheitsbilder stehenden Mutationen. Welche Relevanz allerdings die STC1-Sekretion im Rahmen FGFR3-assoziierter Erkrankungen hat, kann nicht eindeutig beurteilt werden. Weitere Faktoren aus dem hoch komplexen Zusammenspiel während der Knorpel/Knochenentwicklung müssen untersucht werden, um eine definitive Einordnung zu ermöglichen.

Urothelial neoplasms of the urinary bladder occurring in young adult and pediatric patients: a comprehensive review of literature with implications for patient management

Bladder urothelial carcinoma is typically a disease of older individuals and rarely occurs below the age of 40 years. There is debate and uncertainty in the literature regarding the clinicopathologic characteristics of bladder urothelial neoplasms in younger patients compared with older patients, although no consistent age criteria have been used to define "younger" age group categories. Use of the World Health Organization 2004/International Society of Urological Pathology 1998 grading nomenclature and recent molecular studies highlight certain unique features of bladder urothelial neoplasms in young patients, particularly in patients below 20 years of age. In this meta-analysis and review, the clinical, pathologic, and molecular features and risk factors of bladder urothelial neoplasms in patients 40 years or less are presented and analyzed according to decades of presentation. Similar to older patients, bladder urothelial neoplasms in patients 40 years or younger occur more common in male patients, present mainly with gross painless hematuria, and are more commonly located at bladder trigone/ureteral orifices, but in contrast have a greater chance for unifocality. Delay in diagnosis of bladder urothelial neoplasms seems not to be uncommon in younger patients probably because of its relative rarity and the predominance of benign causes of hematuria in this age group causing hesitancy for an aggressive work-up. Most tumors in patients younger than 40 years were low grade. The incidence of low-grade tumors was the lowest in the first 2 decades of life, with incremental increase of the percentage of high-grade tumors with increasing age decades. Classification according to the World Health Organization 2004/International Society of Urological Pathology grading system identified papillary urothelial neoplasms of low malignant potential to be relatively frequent among bladder tumors of young patients particularly in the teenage years. Similar to grade, there was marked predominance of low stage tumors in the first 2 decades of life with gradual inclusion of few higher stage and metastatic tumors in the 2 older decades. Bladder urothelial neoplasms occurring in patients <20 years of age lack or have a much lower incidence of aberrations in chromosome 9, FGFR3, p53, and microsatellite instability and have fewer epigenetic alterations. Tumor recurrence and deaths were infrequent in the first 2 decades and increased gradually in each successive decade, likely influenced by the increased proportion of higher grade and higher stage tumors. Our review of the literature shows that urothelial neoplasms of the bladder occurring in young patients exhibit unique pathologic and molecular features that translate to its more indolent behavior; this distinction is most pronounced in patients <20 years. Our overall inferences have potential implications for choosing appropriate noninvasive diagnostic and surveillance modalities, whenever feasible, and for selecting suitable treatment strategies that factor in quality of life issues vital to younger patients.

Diversity and function of mutations in p450 oxidoreductase in patients with Antley-Bixler syndrome and disordered steroidogenesis

P450 oxidoreductase (POR) is the obligatory flavoprotein intermediate that transfers electrons from reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADPH) to all microsomal cytochrome P450 enzymes. Although mouse Por gene ablation causes embryonic lethality, POR missense mutations cause disordered steroidogenesis, ambiguous genitalia, and Antley-Bixler syndrome (ABS), which has also been attributed to fibroblast growth factor receptor 2 (FGFR2) mutations. We sequenced the POR gene and FGFR2 exons 8 and 10 in 32 individuals with ABS and/or hormonal findings that suggested POR deficiency. POR and FGFR2 mutations segregated completely. Fifteen patients carried POR mutations on both alleles, 4 carried mutations on only one allele, 10 carried FGFR2 or FGFR3 mutations, and 3 patients carried no mutations. The 34 affected POR alleles included 10 with A287P (all from whites) and 7 with R457H (four Japanese, one African, two whites); 17 of the 34 alleles carried 16 "private" mutations, including 9 missense and 7 frameshift mutations. These 11 missense mutations, plus 10 others found in databases or reported elsewhere, were recreated by site-directed mutagenesis and were assessed by four assays: reduction of cytochrome c, oxidation of NADPH, support of 17alpha-hydroxylase activity, and support of 17,20 lyase using human P450c17. Assays that were based on cytochrome c, which is not a physiologic substrate for POR, correlated poorly with clinical phenotype, but assays that were based on POR's support of catalysis by P450c17--the enzyme most closely associated with the hormonal phenotype--provided an excellent genotype/phenotype correlation. Our large survey of patients with ABS shows that individuals with an ABS-like phenotype and normal steroidogenesis have FGFR mutations, whereas those with ambiguous genitalia and disordered steroidogenesis should be recognized as having a distinct new disease: POR deficiency.

Molecular markers for urothelial bladder cancer prognosis: toward implementation in clinical practice

OBJECTIVES To summarize the current status of clinicopathological and molecular markers for the prediction of recurrence or progression or both in non-muscle-invasive and survival in muscle-invasive urothelial bladder cancer, to address the reproducibility of pathology and molecular markers, and to provide directions toward implementation of molecular markers in future clinical decision making. METHODS AND MATERIALS Immunohistochemistry, gene signatures, and FGFR3-based molecular grading were used as molecular examples focussing on prognostics and issues related to robustness of pathological and molecular assays. RESULTS The role of molecular markers to predict recurrence is limited, as clinical variables are currently more important. The prediction of progression and survival using molecular markers holds considerable promise. Despite a plethora of prognostic (clinical and molecular) marker studies, reproducibility of pathology and molecular assays has been understudied, and lack of reproducibility is probably the main reason that individual prediction of disease outcome is currently not reliable. CONCLUSIONS Molecular markers are promising to predict progression and survival, but not recurrence. However, none of these are used in the daily clinical routine because of reproducibility issues. Future studies should focus on reproducibility of marker assessment and consistency of study results by incorporating scoring systems to reduce heterogeneity of reporting. This may ultimately lead to incorporation of molecular markers in clinical practice.

Identification of Tyrosine Residues in Constitutively Activated Fibroblast Growth Factor Receptor 3 Involved in Mitogenesis, Stat Activation, and Phosphatidylinositol 3-Kinase Activation

Fibroblast growth factor receptor 3 (FGFR3) mutations are frequently involved in human developmental disorders and cancer. Activation of FGFR3, through mutation or ligand stimulation, results in autophosphorylation of multiple tyrosine residues within the intracellular domain. To assess the importance of the six conserved tyrosine residues within the intracellular domain of FGFR3 for signaling, derivatives were constructed containing an N-terminal myristylation signal for plasma membrane localization and a point mutation (K650E) that confers constitutive kinase activation. A derivative containing all conserved tyrosine residues stimulates cellular transformation and activation of several FGFR3 signaling pathways. Substitution of all nonactivation loop tyrosine residues with phenylalanine rendered this FGFR3 construct inactive, despite the presence of the activating K650E mutation. Addition of a single tyrosine residue, Y724, restored its ability to stimulate cellular transformation, phosphatidylinositol 3-kinase activation, and phosphorylation of Shp2, MAPK, Stat1, and Stat3. These results demonstrate a critical role for Y724 in the activation of multiple signaling pathways by constitutively activated mutants of FGFR3.

Constitutive receptor activation by Crouzon syndrome mutations in fibroblast growth factor receptor (FGFR)2 and FGFR2/Neu chimeras.

Crouzon syndrome is an autosomal dominant condition primarily characterized by craniosynostosis. This syndrome has been associated with a variety of amino acid point mutations in the extracellular domain of fibroblast growth factor receptor 2 (FGFR2). FGFR2/Neu chimeras were generated by substituting the extracellular domain of Neu with that of FGFR2 containing the following Crouzon mutations: Tyr-340-->His; Cys-342-->Tyr; Cys-342-->Arg; Cys-342-->Ser; Ser-354-->Cys: and delta17 (deletion of amino acids 345-361). Each of the mutant chimeric FGFR2/Neu constructs stimulated focus formation in NIH 3T3 cells, indicating that Crouzon mutations can stimulate signal transduction through a heterologous receptor tyrosine kinase. In vitro kinase assay results indicate that FGFR2 receptors containing Crouzon mutations have increased tyrosine kinase activity and, when analyzed under nonreducing conditions, exhibited disulfide-bonded dimers. Thus the human developmental abnormality Crouzon syndrome arises from constitutive activation of FGFR2 due to aberrant intermolecular disulfide-bonding. These results together with our earlier observation that achondroplasia results from constitutive activation of the related receptor FGFR3, leads to the prediction that other malformation syndromes attributed to FGFRs, such as Pfeiffer syndrome and Thanatophoric dysplasia, also arise from constitutive receptor activation.

MMSET deregulation affects cell cycle progression and adhesion regulons in t(4;14) myeloma plasma cells

BackgroundThe recurrent immunoglobulin translocation, t(4;14)(p16;q32) occurs in 15% of multiple myeloma patients and is associated with poor prognosis, through an unknown mechanism. The t(4;14) up-regulates fibroblast growth factor receptor 3 (FGFR3) and multiple myeloma SET domain (MMSET) genes. The involvement of MMSET in the pathogenesis of t(4;14) multiple myeloma and the mechanism or genes deregulated by MMSET upregulation are still unclear.Design and MethodsThe expression of MMSET was analyzed using a novel antibody. The involvement of MMSET in t(4;14) myelomagenesis was assessed by small interfering RNA mediated knockdown combined with several biological assays. In addition, the differential gene expression of MMSET-induced knockdown was analyzed with expression microarrays. MMSET gene targets in primary patient material was analyzed by expression microarrays.ResultsWe found that MMSET isoforms are expressed in multiple myeloma cell lines, being exclusively up-regulated in t(4;14)-positive cells. Suppression of MMSET expression affected cell proliferation by both decreasing cell viability and cell cycle progression of cells with the t(4;14) translocation. These findings were associated with reduced expression of genes involved in the regulation of cell cycle progression (e.g. CCND2, CCNG1, BRCA1, AURKA and CHEK1), apoptosis (CASP1, CASP4 and FOXO3A) and cell adhesion (ADAM9 and DSG2). Furthermore, we identified genes involved in the latter processes that were differentially expressed in t(4;14) multiple myeloma patient samples.ConclusionsIn conclusion, dysregulation of MMSET affects the expression of several genes involved in the regulation of cell cycle progression, cell adhesion and survival.

A global expression-based analysis of the consequences of the t(4;14) translocation in myeloma

Purpose: Our purpose in this report was to define genes and pathways dysregulated as a consequence of the t(4;14) in myeloma, and to gain insight into the downstream functional effects that may explain the different prognosis of this subgroup.Experimental Design: Fibroblast growth factor receptor 3 (FGFR3) overexpression, the presence of immunoglobulin heavy chain-multiple myeloma SET domain (IgH-MMSET) fusion products and the identification of t(4;14) breakpoints were determined in a series of myeloma cases. Differentially expressed genes were identified between cases with (n = 55) and without (n = 24) a t(4;14) by using global gene expression analysis.Results: Cases with a t(4;14) have a distinct expression pattern compared with other cases of myeloma. A total of 127 genes were identified as being differentially expressed including MMSET and cyclin D2, which have been previously reported as being associated with this translocation. Other important functional classes of genes include cell signaling, apoptosis and related genes, oncogenes, chromatin structure, and DNA repair genes. Interestingly, 25% of myeloma cases lacking evidence of this translocation had up-regulation of the MMSET transcript to the same level as cases with a translocation.Conclusions: t(4;14) cases form a distinct subgroup of myeloma cases with a unique gene signature that may account for their poor prognosis. A number of non-t(4;14) cases also express MMSET consistent with this gene playing a role in myeloma pathogenesis.