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HOX-Gene sind essentielle Transkriptionsfaktoren (TFs), die den Körperplan, die Struktur und die Organbildung während der Entwicklung bestimmen. Diese komplexen Prozesse werden präzise von in verschachtelter Weise exprimierten HOX-Genen reguliert. In vitro Experimente zeigten jedoch, dass die HOX-DNA-Bindungsdomäne stark konserviert ist und oft ähnliche DNA-Sequenzen bindet. Die niedrige biochemische Bindungsspezifität und die hochspezifischen Funktionen stehen oft im Widerspruch und bilden das Schlussthema des so genannten Hox-Paradoxons. Das Paradox besteht aufgrund der folgenden Hindernisse: hohe Proteinhomologie, unspezifischen Antikörper sowie die verschachtelte HOX-Expressionsmuster. Das Ziel dieser Arbeit war, diese Probleme zu überwinden, die HOX-DNA-Bindung in kontrollierten und physiologischen Umstände zu untersuchen und die Bindung von neun Gliedmaßen-spezifischen posterioren HOXA und -D-TFs zu vergleichen. Zu diesem Zweck wurden neun Hühner-HOX-Gene (HOXA- und HOXD9-13) mit dem FLAG markiert und mittels Viren in Gliedmaßen-mesenchymalen Zellen exprimiert. Somit wurde der Vergleich unter identischen und kontrollierten Bedingungen ermöglicht. Im Einklang mit in vivo Funktionsdaten zeigten die HOX-Bindungsprofile, dass zwei direkte Paraloge (z. B. HOXA10 und D10) häufiger dieselben Regionen binden als zwei Nicht-Paraloge (z. B. HOXA9 und A13). Außerdem, die hier beschriebene HOX-DNA-Bindung unterscheidet sich von in vitro Bindung, was darauf hinweist, dass Kofaktoren für deren biologische Funktion wichtig sind. Zusätzlich ergab sich aus dem Bindungsvergleich, dass es zuvor unbekannte Unterschiede zwischen Bindungsweise von HOX-TFs gibt, die zumindest teilweise auf der Häufigkeit von direkter Bindung und Ko-Bindung mit anderen TFs beruhen. Schließlich wurde mit der Kombination von Genetik, Genomik und Biochemie einen neuen HOX-Kofaktor entdeckt, CTCF, der auf ein mögliches Wechselspiel zwischen der HOX-Zielregulation und der Chromatinarchitektur hindeutet., HOX genes are essential developmental transcription factors (TFs) that pattern the animal body plan, their structures and organs. To precisely control these very diverse processes HOX genes are expressed in a nested fashion and regulate their targets in a context specific way. However, in vitro experiments indicated that HOX DNA binding domain (Homeodomain) is remarkably rigid and often binds very similar DNA sequences. This discrepancy between high functional specificity and low in vitro biochemical specificity is at the core of a problem termed Hox paradox. This paradox persists due to several biological and technical obstacles; namely high HOX protein homology and lack of sufficiently specific antibodies as well as nested HOX expression pattern. The aim of this study was to address these problems, study HOX-DNA binding in a controlled, Hox-native environment and to compare HOX-DNA binding of nine posterior vertebrate HOXA and HOXD TFs. To do this, nine chicken HOX genes (HOXA9-13 and HOXD9-13) were FLAG-tagged and virally expressed in chicken mesenchymal limb-derived cells enabling comparison of their binding in an identical setup and controlled conditions. HOX binding profiles uncovered two direct paralogues (i.e. HOXA10 and D10) bind more often same regions than two non-paralogues (i.e. HOXA9 and A13) reminiscent of in vivo functional data. Moreover, the here described in vivo HOX-DNA binding differs from in vitro binding, indicating the importance of cofactors and biological context for HOX binding and functional outcome. Additionally, binding comparison uncovered previously unknown differences between binding modes of HOX-TFs that at least partially rely on the abundance of direct binding and co-binding with other TFs. Finally, with combination of genetics, genomics and biochemistry a novel HOX cofactor, CCCTC binding factor (CTCF), was discovered suggesting potential interplay between HOX target regulation and chromatin architecture.

Die Knochenregeneration während der Frakturheilung beinhaltet das Zusammenspiel von Wachstumsfaktoren. In einigen Patienten kommt es zu einer verzögerten oder unvollständigen Heilung. Die Gründe hierfür sind bisher nicht komplett verstanden. Neutralisierende Autoantikörper (aAB) gegen Wachstumsfaktoren oder deren Rezeptoren könnten den Heilungsprozess verzögern und potentiell beeinträchtigen In dieser Arbeit wurden 265 Frakturpatienten analysiert. Autoantikörper gegen IGF1 Rezeptor, Insulin Rezeptor, BMP7, BMP2, IGF1 und (Pro)Insulin wurden in den Seren dieser Frakturpatienten gemessen. In Frakturpatienten wurden in 5% der Seren aAB gegen den IGF1R und in 6% gegen den IR gefunden. Das Auftreten von IGF1R- und IR-aAB wurde nicht induziert und war nicht mit dem Heilungsergebnis assoziiert. BMP7-aAB wurden in 1-2,5% gesunder Probanden und Frakturpatienten, die nicht mit rhBMP7 behandelt wurden, detektiert. Patienten, die mit rhBMP7 behandelt wurden, zeigten ein höheres Auftreten der BMP7-aAB Positivität mit 6% zum Zeitpunkt der Operation und 18% vier Wochen nach der Operation. BMP2-aAB wurden in 2% der gesunden Kontrollen und 6% der mit rhBMP7-behandelten Frakturpatienten entdeckt. Bei der Charakterisierung des biologischen Effekts der BMP7-aAB durch einen zell-basierten Reporter-Assay, zeigte sich ein neutralisierender Effekt in Proben mit hohem BMP7-aAB Titer. Als das wichtigste Kriterium für klinische Relevanz wurde die Konsolidierung untersucht. Das Vorhandensein von BMP-aAB wurde nicht signifikant mit der Konsolidierung in Zusammenhang gebracht. Zusammenfassend wurden neue diagnostische Assays zur Detektion von aAB gegen Wachstumsfaktoren und deren Rezeptoren generiert und angewandt um aAB in Seren von Frakturpatienten zu messen. Keiner der identifizierten aAB war negativ mit dem Heilungsprozess assoziiert. Bedenken bezüglich der Sicherheit von rhBMP7 Behandlungen sind berechtigt, da die Anwendung aAB gegen BMP7 induziert, die den BMP7-Signalweg blockieren., Regeneration of bone during fracture healing includes concerted actions of growth factors. Some fractures show delayed healing or non-union due to as yet unknown reasons. Neutralizing autoantibodies (aAB) against growth factors or their receptors might influence and potentially impair the bone healing capacity. In this study, a cohort of 265 fracture patients with different treatment regimen and healing outcomes were analysed. Autoantibodies against IGF1 receptor, insulin receptor, BMP7, BMP2, IGF1 and (pro)insulin were measured in sera of these fracture patients. The prevalence of aAB against IGF1R and IR was 5% and 6% in fracture patients, respectively. The appearance of IGF1R- and IR-aAB was not induced by the surgical intervention and was unrelated to the healing outcome. BMP7-aAB were found in 1-2.5% of healthy subjects and in fracture patients that were not treated with rhBMP7. Patients that had received rhBMP7 treatment showed a higher incidence of BMP7-aAB positivity of 6% at surgery and 18% four weeks post surgery. BMP2-aAB were found in 2% of healthy controls and 6% of the fracture patients that were treated with rhBMP7. Characterizing the biological effect of BMP7-aAB in a cell-based reporter assay, a neutralizing effect was observed for samples with high titres. As the most relevant clinical outcome, the criterion consolidation was analysed defining whether the fracture gap was closed after six months or not. The presence of BMP-aAB was not significantly associated with the healing outcome. In summary, novel diagnostic assays for the detection and quantification of growth factor and receptor aAB were generated and used to determine aAB in sera from fracture patients. None of the identified aAB were negatively associated with the regeneration process or healing outcome. Ongoing concerns regarding the safety of rhBMP7 treatment are justified as the biological treatment induces aAB against BMP7 that block the BMP signal transduction.

Mutationen von Transkriptionsfaktoren (TF) betreffen nicht nur die Funktion des TFs, sondern auch die Expression seiner Zielgene und liegen häufig angeborenen Entwicklungsdefekten zugrunde. Über 20 Mutationen in HOXD13, einem TF der die Entwicklung der Extremitäten kontrolliert, sind bisher als Ursache verschiedenartiger Extremitätenfehlbildungen entdeckt worden. Eine molekularbiologische Grundlage für die Vielgestaltigkeit der HOXD13-Mutationen ist jedoch unbekannt. Die bisherigen Methoden zur funktionellen Charakterisierung von TF-Mutationen ermöglichten eine lediglich eingeschränkte Interpretation der molekularen Pathomechanismen. Die kürzlich entwickelte ChIP-seq Methode ermöglicht eine umfassende, funktionelle Charakterisierung eines TFs. In dieser Arbeit wurde eine Methode etabliert, um eine Vielzahl von Transkriptionsfaktoren und TF-Mutationen systematisch zu untersuchen. Zur Validierung wurden zwei neue Punktmutationen in HOXD13, p.Q317K und p.R298Q, charakterisiert. Beide Mutationen betreffen die DNA-bindende Domäne von HOXD13, rufen aber stark unterschiedliche Fehlbildungen hervor. Die Ergebnisse zeigen, dass die HOXD13Q317K Mutante eine veränderte Sequenzspezifität aufweist, welche nun jener eines anderen TFs, PITX1, ähnelt. Auch genomweit zeigt HOXD13Q317K ein Bindungsprofil, welches eher PITX1 als HOXD13wt entspricht. Durch weitere, unabhängige Analysen und Experimente wurde bestätigt, dass die p.Q317K Mutation HOXD13 in einen TF mit PITX1-ähnlichen Eigenschaften verändert. Die HOXD13R298Q-Mutante zeigt eine weitgehend unveränderte Bindungssequenz gegenüber HOXD13wt, jedoch eine veränderte Zusammensetzung der genomischen Bindestellen. Dies weist, in Kombination mit dem humanen Phänotyp auf einen dominant-negativen Pathomechanismus dieser Mutanten hin. Zusammengenommen zeigt diese Arbeit durch die Erhebung von experimentellen Daten, dass klar unterscheidbare molekularbiologische Mechanismen den HOXD13Q317K- und HOXD13R298Q-Mutationen zugrunde liegen., Mutations in transcription factors (TF) do not only affect the function of the TF, but also the expression of its target genes and are frequently underlying congenital malformations. More than 20 distinct pathogenic mutations in HOXD13, a TF controlling limb development, have been associated with a broad range of limb malformations. However, a molecular basis underlying the variability of HOXD13-associated phenotypes remains elusive. To date, the experimental methods used to functionally characters TF mutations have allowed only limited insights into the underlying molecular pathomechanisms. The recently developed ChIP-seq technology has proven to be a powerful method to profile the binding characteristics of TFs; however a number of technical hurdles hinder its application for functional characterization of mutant TFs. This work describes the establishment of a ChIP-seq approach to investigate a wide spectrum of TFs and TF mutations. The approach was applied to characterize two previously unknown missense mutations in HOXD13, p.Q317K and p.R298Q, which both alter the DNA-binding domain of HOXD13 but cause very different disease phenotypes. The results show that the HOXD13Q317K mutant has an altered sequence specificity that resembles the recognition sequence of another TF, PITX1. Further, the genome-wide binding pattern of HOXD13Q317K shifts towards a more PITX1-like binding pattern. Even further analysis and viral overexpression in chicken limb buds confirm that the mutation partially converts HOXD13Q317K into a TF with PITX1-like properties. The HOXD13R298Q has a largely unchanged sequence specificity, but an altered composition of genomic binding sites. This, in combination with the human phenotype, indicates that the mutant might act in a dominant-negative manner. Collectively, this work shows through generation of direct experimental evidence, that clearly distinct molecular mechanisms underlie the pathogenicity of HOXD13Q317K and HOXD13R298Q mutations.