Progeroid syndromes are a heterogeneous group of rare genetic diseases characterized by a prematurely aged appearance. They are caused by pathogenic variants in various genes, including those encoding DNA repair enzymes and components of the extracellular matrix (ECM). Additionally, alterations in gene expression can also contribute to the development of these syndromes. Within the scope of this dissertation, two progeroid syndromes were characterized. First, pathogenic variants in SUPT7L were identified as the genetic cause of a new progeroid syndrome. Second, further insights into the pathomechanism of ARCL2A were obtained. One complex regulating gene expression is the transcriptional coactivator complex STAGA. Loss-of-function variants in SUPT7L, encoding a subunit of STAGA, cause a so far undescribed clinical syndrome with a progeroid appearance, developmental delay, intellectual disability and a generalized lipodystrophy. Loss of SUPT7L presumably leads to reduced stability of the entire complex, decreased expression of c-MYC- and p53-dependent genes. It also results in reduced DNA repair and subsequent accumulation of DNA damage in primary dermal fibroblasts and genome-edited HeLa cells. Moreover, evidence suggests changes of the ECM, a common feature in other progeroid syndromes such as autosomal recessive cutis laxa type 2A (ARCL2A). ARCL2A is a congenital disorder of glycosylation (CDG) characterized by connective tissue weakness and brain abnormalities. Its molecular basis are loss-of-function variants in ATP6V0A2, encoding the V0a2 subunit of the vacuolar (v)-ATPase. This subunit determines the subcellular localization of the multiprotein complex and forms the proton channel. To analyze the underlying mechanisms of ARCL2A, two mouse models were generated. A knockout (Atp6v0a2-/-) leading to absence of Atpv0a2 and a knock-in (Atp6v0a2RQ/RQ) model, carrying the p.R755Q variant, which selectively blocks proton transport. These mouse models exhibited structural aberrations of the dermis, reduced secretion of ECM proteins and altered glycosylation. However, the O-glycosylation defects appeared to be more relevant for the ARCL2A pathomechanism. Reduced O-mannosylation of ɑ-dystroglycan impairs cell-matrix interaction, leading to a secondary dystroglycanopathy involving abnormal migration of cortical neurons. Furthermore, enhanced core fucosylation in skin and murine embryonic fibroblasts (MEF) correlated with an elevated trans-Golgi pH and a delay in the intracellular vesicle transport. In both mouse models, impaired Golgi-derived acrosome formation and altered O-glycosylation lead to a globozoospermia, a previously undescribed symptom of ARCL2A. Thus, the pathomechanism of ARC2A is determined by an interplay between an elevated Golgi pH and alterations in intracellular vesicle trafficking.
Progeroide Syndrome sind eine klinisch heterogene Gruppe seltener genetischer Erkrankungen, die durch ein vorzeitig gealtertes Erscheinungsbild charakterisiert sind. Sie sind auf pathogene Varianten in unterschiedlichen Genen zurückzuführen, die u. a. für DNA-Reparaturenzyme oder Komponenten der extrazellulären Matrix (EZM) kodieren. Zudem kann auch eine veränderte Genregulation zur Ausprägung des Krankheitsbildes beitragen. Im Rahmen dieser Dissertation wurden zwei progeroide Erkrankungen molekularbiologisch charakterisiert. Die SUPT7L-ahbängige Lipodystrophie wurde erstmals beschrieben und SUPT7L als genetische Ursache identifiziert. Darüber hinaus konnten nähere Erkenntnisse zu den molekularen Mechanismen der ARCL2A in Mausmodellen gewonnen werden. Ein Komplex, der bei Genregulation zahlreicher intrazellulärer Prozesse eine Rolle spielt, ist der transkriptionelle Koaktivatorkomplex STAGA. Funktionsverlustvarianten in SUPT7L, dass für eine Komponente dieses Komplexes kodiert, führen zu einem bislang nicht beschriebenen Syndrom mit progeroidem Erscheinungsbild, Entwicklungsverzögerung, mentale Retardierung und generalisierter Lipodystrophie. Ein Verlust von SUPT7L führt mutmaßlich zu einer verminderten Stabilität des STAGA Komplexes und resultiert in einer reduzierten Expression von c-MYC- und p53- abhängigen Genen sowie einer verminderten DNA-Reparatur. Des Weiteren zeigt sich eine Anreicherung von DNA-Schäden in primären dermalen Fibroblasten und genomeditierten HeLa-Zellen. Darüber hinaus zeigen sich Hinweise auf Veränderungen der EZM, was eine Gemeinsamkeit mit weiteren progeroiden Syndromen wie der autosomal rezessiven Cutis laxa Typ 2A (ARCL2A) darstellt. ARCL2A ist eine angeborene Glykosylierungsstörung (CDG) und u. a. durch eine Bindegewebsschwäche, Entwicklungsverzögerung und eine neuronale Migrationsstörung charakterisiert. Die genetische Ursache dieses Syndroms sind Funktionsverlustvarianten in ATP6V0A2, dass für die V0a2-Untereinheit der vakuolären (v)-ATPase kodiert. Diese Untereinheit stellt den Protonenkanal und ist für die subzelluläre Lokalisation der v-ATPase im Golgi-Apparat verantwortlich. Zur Analyse der für ARCL2A ursächlichen molekularen Mechanismen wurden zwei Mausmodelle generiert. Ein Knockout (Atp6v0a2-/-) führt zu einem kompletten Verlust von Atp6v0a2. Der Knock-in (Atp6v0a2RQ/RQ), der die Variante p.R755Q trägt, führt dagegen zur Bildung eines Protonentransport-defizienten Proteins. Diese Mausmodelle zeigen eine strukturelle Veränderung der Dermis einschließlich einer verminderten Sekretion von Matrixproteinen. Darüber hinaus weisen sie eine aberrante Glykosylierung auf, wobei die O-Glykosylierungsdefekte bei der Ausprägung des Phänotyps überwiegen. Eine reduzierte O-Mannosylierung von ɑ-Dystroglykan resultiert in einer Beeinträchtigung der Zell-Matrix-Interaktion und führt zu einer sekundären Dystroglykanopathie mit abnormaler Migration von kortikalen Neuronen. Auch zeigt sich eine verstärkte Fucosylierung von Proteinen in der Haut und in murinen embryonalen Fibroblasten (MEF), die mit einer Erhöhung des pH-Werts im Golgi-Apparat und einer Verlangsamung vesikulären Transports korreliert. Beide Mausmodelle weisen zudem eine bislang nicht beschriebene Globozoospermie auf, die durch eine beeinträchtigte Akrosomenbildung und veränderte O-Glykosylierung verursacht wird. Der Pathomechanismus der ARCL2A resultiert somit aus einem Zusammenspiel eines erhöhten Golgi-pH-Werts und einer Verlangsamung des intrazellulären Vesikeltransports.
