Funktionelle Bedeutung Nichtkodierender Rnas in Der Urothelialen Differenzierung
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Funktionelle Bedeutung nichtkodierender RNAs in der urothelialen Differenzierung Inaugural-Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf vorgelegt von Judith Dehn, geb. Heubach aus Sangerhausen Düsseldorf, August 2015 aus dem Forschungslabor der Urologischen Klinik der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf Gedruckt mit der Genehmigung der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf Referent: Prof. Dr. Wolfgang A. Schulz, Forschungslabor der Urologischen Klinik, Heinrich-Heine-Universität Korreferent: Prof. Dr. Rüdiger Simon, Institut für Entwicklungsgenetik, Heinrich- Heine-Universität Düsseldorf Tag der mündlichen Prüfung: 23.10.2015 Publikationen Teile der Arbeit wurden veröffentlich unter dem Titel „The long noncoding RNA HOTAIR has tissue and cell type-dependent effects on HOX gene expression and phenotype of urothelial cancer cells.“; J. Heubach, J. Monsior, R. Deenen, G. Niegisch, T. Szarvas, C. Niedworok, W.A. Schulz, M.J. Hoffmann; Mol Cancer, 2015 Mai 21; 14:108. Inhalt =XVDPPHQIDVVXQJ 6XPPDU\ (LQOHLWXQJ 'DV8URWKHONDU]LQRP 'DV+2;*HQ&OXVWHU /DQJHQLFKWNRGLHUHQGH51$V *HQHPLW,PSULQWLQJ )UDJHVWHOOXQJ 0DWHULDOXQG0HWKRGHQ 0DWHULDOLHQ 8&*HZHEH =HOOOLQLHQ %DNWHULHQVWlPPH 3ODVPLGH (Q]\PH $QWLN|USHU .LWVXQG$VVD\V 6XEVWDQ]HQ /|VXQJHQXQG3XIIHU 2OLJRQXNOHRWLGH 9HUEUDXFKVPDWHULDOLHQ *HUlWH 0HWKRGHQ 3UlSDUDWLRQYRQ3ODVPLGHQ .XOWLYLHUXQJYRQKXPDQHQ=HOOHQ 0777HVW , /LPLWHG'LOXWLRQ$VVD\ 6RIW$JDU&RORQ\)RUPDWLRQ$VVD\ 6FUDWFK$VVD\ %R\GHQ&KDPEHU$VVD\ '1$7UDQVIHNWLRQ VL51$7UDQVIHNWLRQ /1$7UDQVIHNWLRQ 51$3UlSDUDWLRQ )UDNWLRQLHUWH51$3UlSDUDWLRQ 5HYHUVH7UDQVNULSWDVH3&5 4XDQWLWDWLYH5HDO7LPH3&5 T573&5 P51$0LFURDUUD\ 9HUJOHLFKGHU0LFURDUUD\'DWHQPLWSXEOL]LHUWHQ'DWHQVlW]HQ 3URWHLQ3UlSDUDWLRQ 3URWHLQNRQ]HQWUDWLRQVEHVWLPPXQJ :HVWHUQ%ORW$QDO\VHQ ,PPXQIOXRUHV]HQ] &KURPDWLQ,PPXQRSUl]LSLWDWLRQ &K,3 '1$3UlSDUDWLRQ %LVXOILW8PZDQGOXQJYRQ'1$ 3\URVHTXHQ]LHUXQJ '1$0HWK\OLHUXQJV$UUD\ ,QVLOLFR$QDO\VHQ|IIHQWOLFKHU'DWHQVlW]H (UJHEQLVVH +2;*HQH[SUHVVLRQVPXVWHULP8URWKHO 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.............................. 152 6.4 Mechanismen der Regulation der Genexpression durch HOTAIR ........................ 155 6.5 HOTAIR reguliert elterlich geprägte Gene ............................................................ 158 6.6 HOTAIR beeinflusst die DNA-Methylierung genomweit ..................................... 164 7 Verzeichnisse ................................................................................................................. 167 7.1 Literaturverzeichnis ................................................................................................ 167 7.2 Abbildungsverzeichnis ........................................................................................... 181 7.3 Tabellenverzeichnis ................................................................................................ 186 7.4 Abkürzungen .......................................................................................................... 188 8 Erklärung ........................................................................................................................ 192 9 Danksagung .................................................................................................................... 193 10 Anhang ........................................................................................................................... 195 V Zusammenfassung 1 Zusammenfassung Das Urothelkarzinom der Harnblase (UC) zeichnet sich durch eine ausgeprägte Heterogenität aus, die Diagnostik und Therapie erschwert. Für die Heterogenität mitverantwortlich sind aberrante Differenzierungsprozesse, die durch eine Deregulation der homöotischen HOX-Gene hervorgerufen werden könnten, wie eine in vitro Analyse dreier unabhängiger Genexpressions- Microarray-Analysen von UC-Geweben ergab. Der genaue Mechanismus der Regulation von HOX-Genen beim Menschen ist bisher nicht bekannt; neu entdeckte potentielle Regulatoren sind lange nichtkodierende RNAs (lncRNAs). Die lncRNA HOTAIR ist im HOXC-Cluster lokalisiert und kann die Expression von Genen, insbesondere posterioren HOXD-Genen, über Vermittlung von repressiven Histonmodifikationen beeinflussen. Eine Überexpression von HOTAIR korreliert in vielen Tumoren mit einem aggressiven Phänotyp und einer schlechten Prognose. Auch in einer in dieser Arbeit untersuchten großen Serie von UC-Gewebeproben waren die 25 % der Fälle mit der höchsten HOTAIR-Expression mit einer schlechten Prognose assoziiert. Die Effekte einer ektopischen HOTAIR-Überexpression in UC-Zelllinien variierten stark. In VM-CUB1 Zellen wurde durch stabile HOTAIR-Überexpression der erwartete aggressivere Phänotyp mit Markern einer epithelial-mesenchymalen Transition, verstärkter Proliferation und Invasionsfähigkeit induziert. Die Effekte der Überexpression in 5637 waren teilweise entgegengesetzt, mit Anzeichen einer Seneszenz-Induktion. Eine Mikroarray-Expressionsanalyse bestätigte die zelllinienabhängigen Effekte von HOTAIR auf HOX-Gene, Zellzyklusregulatoren und Differenzierung. Auch ein breiterer bioinformatischer Vergleich mit Ösophagus- und Mammakarzinom-Zelllinien erbrachte nur eine sehr kleine Schnittmenge gemeinsamer HOTAIR- Zielgene. Eines davon war PLAGL1, ein Schlüsselregulator eines Netzwerkes von elterlich geprägten Genen (IGN), das - mindestens in Mäusen - das embryonale Wachstum reguliert. Auch weitere Gene des IGN wurden in UC-Zelllinien durch HOTAIR beeinflusst, zum Teil vermittelt über PLAGL1. Diese Ergebnisse deuten auf eine Funktion von HOTAIR bei der Regulation von elterlich geprägten Genen. An IGN- und HOX-Genen wurden nach HOTAIR-Überexpression mittels Chromatin-Immunpräzipitation Veränderungen von Histonmethylierungen festgestellt, darunter jedoch auch transkriptionsaktivierende. Dies deutet auf weitere, bisher unbekannte Interaktionspartner von HOTAIR hin. Neu war auch die Beobachtung, dass Überexpression von HOTAIR zu einer verstärkten DNA-Methylierung des PLAGL1-Promotors führt. Ein DNA- Methylierungsarray ergab, dass sich nach HOTAIR-Überexpression die Methylierung an bestimmten CpG-Stellen über das gesamte Genom hinweg verändert. Somit scheint HOTAIR die Expression von Genen nicht nur über die Modulation von Histonmodifikationen, sondern auch der DNA-Methylierung zu regulieren. 1 Summary 2 Summary Urothelial carcinoma (UC) is characterized by pronounced heterogeneity that complicate diagnosis and therapy. One factor contributing to heterogeneity may be aberrant differentiation