Molekulargenetische und zellphysiologische Charakterisierung einer autosomal- rezessiven Erkrankung mit Chromosomenkondensationsstörung

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wurde der Nachweis geführt, dass die erste beim Menschen beschriebene Chromosomenkondensationsstörung auf Mutationen im MCPH1-Gen beruht. Die Patienten sind klinisch durch ausgeprägte Mikrozephalie und mentale Retardierung charakterisiert. Proliferierende Gewebe der Patienten weisen einen zellulären Phänotyp mit einem erhöhten Anteil Prophase-ähnlicher Zellen (PLCs) von bis zu 20% auf. Dieser Defekt beruht auf einer vorzeitigen Chromosomenkondensation in der G2 Phase des Zellzyklus und auf einer verzögerten postmitotischen Dekondensation in der G1 Phase. Das MCPH1-Gen kodiert für das Protein Microcephalin. Dieses enthält drei BRCT (BRCA1 C-terminus)-Domänen und ein nukleares Lokalisationssignal. Durch RNA Interferenz gegen Microcephalin-mRNA in humanen Kontrollzellen konnte der beschriebene zelluläre Phänotyp imitiert und somit gezeigt werden, dass der Funktionsverlust von Microcephalin auch ursächlich für die Chromosomenkondensationsstörung ist. Die Analysen des Verhaltens von Zellkulturen der Patienten nach ionisierender Bestrahlung zeigten, dass es bei diesen nicht zum Verlust des DNA-Schadenskontrollpunktes kommt, sondern der Zellzyklus am G2/M-Übergang vor dem Eintritt in die Mitose arretiert wird. Die physiologisch normale Reaktion nach DNA-Schädigung, nämlich eine Akkumulation von Zellen am G2/M-Übergang, spiegelt sich bei den Patientenzellen auch in einer Erhöhung des Anteils Prophase-ähnlicher Zellen nach Bestrahlung wieder. Dieser Effekt kann zur Differenzialdiagnose bei Patienten mit primärer Mikrozephalie eingesetzt werden. Die Beschreibung des zellulären Phänotyps und die Aufklärung des Basisdefektes ermöglichten auch die Diagnosestellung bei einem Patienten mit sehr mildem klinischen und zellulären Phänotyp. Dieser Patient weist eine missense-Mutation (T27R) in der ersten BRCT-Domäne von Microcephalin auf. Die klinische Symptomatik dieses Patienten entspricht nicht den Einschlusskriterien für die klinische Diagnose von primärer Mikrozephalie (MCPH). Daher erfordert dieser Befund eine Überarbeitung der Definition der klinischen Symptomatik für MCPH. Der Chromosomenkondensationsdefekt wird durch eine Fehlregulation des Condensin II Komplexes vermittelt und ist unabhängig von Condensin I. Es wurde nachgewiesen, dass der Anteil PLCs durch RNA Interferenz gegen Untereinheiten des Condensin II Komplexes - jedoch nicht gegen Condensin I-spezifische Untereinheiten - in Patientenzellen deutlich reduziert wird. Da dies, wie mit Zellzyklusphasen-spezifischen Markern gezeigt wurde, sowohl aus einer Abnahme von Zellen mit kondensiertem Chromatin in der G2-Phase als auch der G1-Phase des Zellzyklus resultiert, wurde damit außerdem zum ersten Mal eine Funktion von Condensin II in der Chromosomendekondensation demonstriert. Die Ergebnisse der RNAi-Experimente sind im Einklang mit den Resultaten aus Immunfluoreszenzanalysen mit Antikörpern gegen die Condensinkomplexe. Condensin II ist im Gegensatz zu Condensin I zum Zeitpunkt der fehlregulierten Chromosomenkondensation nuklear und bindet vorzeitig an die zentrale Chromatidachse.

In the presented dissertation it was demonstrated that the first chromosome condensation disorder described in human is caused by mutations in the MCPH1 gene. Patients are characterised by pronounced microcephaly and mental retardation. Proliferating tissues of the patients display a cellular phenotype with an enhanced fraction of prophase-like cells (PLCs) of up to 20 %. The defect is due to premature chromosome condensation in the G2 phase of the cell cycle and due to a delayed decondensation in G1 phase. MCPH1 encodes microcephalin, a protein containing three BRCT (BRCA1 C-terminus)-domains and a nuclear localisation signal. The specific cellular phenotype can be reproduced by RNA interference against microcephalin-mRNA in human control cells demonstrating that the functional loss of microcephalin is the underlying defect causing the misregulation of chromosome condensation. Analyses of the cell cycle behaviour of cell lines of the patients after ionising irradiation revealed that DNA damage checkpoint control is not disturbed, but rather the cell cycle is arrested at the G2/M transition preceding mitosis. The observed normal physiological reaction of accumulation of cells at G2/M transition following DNA damage is reflected in the patient cells by a distinct increase of the proportion of prophase-like cells - an effect that can be used for differential diagnosis of patients with primary microcephaly. The description of the cellular phenotype in combination with the definition of the underlying mutation lead to the diagnosis of a patient with an extraordinarily mild clinical and cellular phenotype. This patient has a missense mutation (T27R) in the first BRCT domain of microcephalin. The clinical symptoms of this patient do not correspond to the criteria hitherto used for diagnosis of autosomal recessive primary microcephaly (MCPH). Therefore, these findings demand a revision of the definition of the symptomatic complex of MCPH. The condensation defect is mediated by misregulation of the condensin II complex but is independent of condensin I. It could be demonstrated that the fraction of prophase-like cells can be markedly reduced by RNA interference against condensin II subunits, but not by silencing of condensin I specific subunits. As shown using cell cycle phase specific markers, this is due to a decrease of cells displaying condensed chromatin in both G2- and G1-phase of the cell cycle, demonstrating for the first time a function of condensin II in the decondensation process. The results of the RNAi experiments are in accordance with the findings of immunofluorescence analyses with antibodies against the condensin complexes. Unlike condensin I, condensin II stays in the nucleus of the prophase-like cells and binds prematurely to the central chromatid axis.