IPSC-based Modelling of Nijmegen Breakage Syndrome

Abstract

Nijmegen Breakage Syndrome (NBS) is a rare autosomal recessive genetic disorder, first described 1981 in Nijmegen, Holland. The characteristics of NBS include genomic instability (resulting in early onset of malignancies), premature aging, microcephaly and other growth retardations, immune deficiency, and impaired puberty and fertility in females. The consequence of these manifestations is a severe decrease in average life span, caused by cancer or infection of the respiratory and urinary tract. The aim of this thesis was to provide a cellular model system for NBS, to overcome several problems associated with NBS research: A) small number of patients, B) cell cultures limited to fibroblasts and lymphocytes, C) premature senescence in cell culture as a consequence of high levels of reactive oxygen species (ROS), D) finding new molecular mechanisms of NBS, E) providing new, therapeutically relevant concepts. The NBS model was established by reprogramming fibroblasts from NBS patients into induced pluripotent stem cells (iPSCs), using retroviral transduction of OCT4, SOX2, KLF4 and C-MYC. Further, by employing somatic cells and iPSCs of NBS, global transcriptome analysis was performed, to identify new phenotypes and changes in the signaling network of NBS cells compared to normal cells. In addition, the influence of oxidative stress, radiomimetics and antioxidants was tested on the genomic integrity of NBS cells before and after reprogramming.

Nijmegen-Breakage-Syndrom (NBS) ist eine seltene, autosomal-rezessiv genetisch bedingte Erkrankung, die zuerst 1981 in Nijmegen, Holland beschrieben wurde. Die Eigenschaften von NBS sind z.B. genomische Instabilität (was zum frühen Beginn von malignen Erkrankungen), vorzeitigem Altern, Mikrozephalie und anderen Wachstumsverzögerungen, sowie Immunschwäche und zur Beeinträchtigung von Pubertät und Fruchtbarkeit bei Frauen führen kann. Die Folge dieser Erscheinungen ist eine dramatische Abnahme der durchschnittlichen Lebenserwartung, häufige Todesursachen sind Krebs oder Infektionen der Atemwege und der Harnwege. Das Ziel dieser Arbeit war es, ein Zellmodellsystem für NBS zur Verfügung zu stellen um bestimmte Probleme in der NBS-Forschung zu überwinden: A) geringe Anzahl von Patienten, B) Zellkulturen beschränkt auf Fibroblasten und Lymphozyten, C) eine vorzeitige Alterung in Zellkultur als Folge von erhöhten reaktiven Sauerstoffspezies (ROS), D) Identifizierung neuer molekulare Mechanismen in NBS, E) die Bereitstellung neuer, therapeutisch relevanter Konzepte. Das zelluläre NBS-Modell wurde erstellt durch die Umprogrammierung von Fibroblasten aus NBS-Patienten in induzierte pluripotente Stamm (iPS) Zellen unter Verwendung von retroviralen Vektoren mit den Transkriptionsfaktoren OCT4, SOX2, KLF4 und C-MYC. Ferner wurden globale Transkriptom-Analysen unter Verwendung von somatischer und iPS-Zellen mit und ohne NBS durchgeführt, um neue Phänotypen und Veränderungenen in dem Signalisierungsnetzwerk von NBS-Zellen zu identifizieren. Darüber hinaus wurde der Einfluss von oxidativem Stress, Radiomimetika und Antioxidationsmittel auf die genomischen Integrität von NBS-Zellen vor und nach der Umprogrammierung getestet.