Die Rolle von Nicastrin in der Pigmentierung

The role of Nicastrin in pigmentation

by Matthias Andreas Hermasch
Doctoral thesis
Date of Examination:2022-12-20
Date of issue:2022-12-19
Advisor:Prof. Dr. Jorge Alberto Frank
Referee:Prof. Dr. Jorge Alberto Frank
Referee:Dr. Ivan Prof Bogeski
Referee:Prof. Dr. Ralf Dressel
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-9617

 

 

Files in this item

Name:Hermasch_Matthias_Andreas_Dissertation (ohne...pdf
Size:29.6Mb
Format:PDF

The following license files are associated with this item:

Abstract

English

The regulation of melanocyte function in the context of pigmentation is a complex biological process involving several molecular signaling pathways whose specific role is largely unknown. Recently, it was shown that a variant of the hereditary disease Dowling-Degos is characterized by dysfunction of melanocyte migration, proliferation and differentiation. This manifests clinically with a pigmentation disorder and is caused by mutations in the PSENEN gene, which encodes PEN-2, a protein of the 𝛾-secretase protease complex. The 𝛾-secretase comprises the three other subunits nicastrin, presenilin, and Aph-1 and occupies a central position in the NOTCH signaling pathway, which plays a crucial role especially in pigment cell development. In this project, we investigated the function of the γ-secretase subunit nicastrin in relation to zebrafish pigmentation. We demonstrated that morpholino-mediated ncstn deficiency leads to hypo/depigmentation based on changes in melanophore morphology, proliferation, migration, and differentiation. We were able to reverse the resulting hypopigmentation phenotype by co-injection of both human and zebrafish RNA. In this context, we also cloned the four NCSTN mutations described in humans, c.497C>A, c.278delC, c.1101+1C>G, and c.632C>G, and examined their effects on pigmentation in vivo in reversion experiments. We showed that the three mutations resulting in a preterminal stop codon c.497C>A, c.278delC, c.1101+1C>G have deleterious effects on zebrafish pigmentation and do not lead to phenotype reversion, as they presumably cause nonsense-mediated RNA degradation. In comparison, the functional consequences of the missense mutation c.632C>G do not appear to be equally deleterious, as we were able to reverse the hypopigmentation phenotype by treating ncstn-deficient zebrafish with an RNA containing this mutation. These results illustrate the potential for therapy of pigmentation disorders using siRNA interference in the zebrafish model. Since this technology has now also been successfully used in humans, models such as the one used here may hold the key to a better understanding of complex biological processes and a possibility for the first evaluation of targeted causal therapeutic strategies in patients with pigmentation disorders.
Keywords: Nicastrin; Pigmentation; Dowling-Degos disease

German

Die Regulation der Melanozytenfunktion im Rahmen der Pigmentierung ist ein komplexer biologischer Prozess, in den verschiedene molekulare Signalwege involviert sind, deren spezifische Rolle größtenteils noch nicht bekannt ist. Kürzlich wurde gezeigt, dass eine Variante der hereditären Erkrankung Morbus Dowling-Degos durch eine Dysfunktion der Melanozytenmigration, -proliferation und -differenzierung gekennzeichnet ist. Diese manifestiert sich klinisch mit einer Pigmentierungsstörung und wird durch Mutationen im PSENEN-Gen verursacht, das für PEN-2 kodiert, ein Protein des 𝛾�-Sekretase- Proteasekomplexes. Die 𝛾�-Sekretase umfasst die drei weiteren Untereinheiten Nicastrin, Präsenilin und Aph-1 und nimmt eine zentrale Stellung im NOTCH-Signalweg ein, der insbesondere in der Entwicklung von Pigmentzellen eine entscheidende Rolle spielt. Im Rahmen dieses Promotionsprojekts untersuchten wir die Funktion der γ-Sekretase-Untereinheit Nicastrin in Bezug auf die Pigmentierung des Zebrafischs. Wir konnten zeigen, dass eine Morpholino-vermittelte ncstn-Defizienz zu einer Hypo-/Depigmentierung führt, die auf Veränderungen der Morphologie, Proliferation, Migration und Differenzierung der Melanophoren basiert. Den daraus resultierenden Hypopigmentierungsphänotyp konnten wir sowohl durch die Ko-Injektion humaner als auch von Zebrafisch-RNA umkehren. In diesem Zusammenhang haben wir auch die vier im Menschen beschriebenen NCSTN-Mutationen c.497C>A, c.278delC, c.1101+1C>G und c.632C>G kloniert und in-vivo im Rahmen von Reversionsexperimenten hinsichtlich ihrer Effekte auf die Pigmentierung untersucht. Wir konnten zeigen, dass die drei in einem präterminalen Stop-Kodon resultierenden Mutationen c.497C>A, c.278delC, c.1101+1C>G deletäre Effekte auf die Zebrafischpigmentierung haben und zu keiner Phänotypreversion führen, da sie vermutlich eine Nonsense-mediierte RNA- Degradierung bedingen. Im Vergleich dazu scheinen die funktionellen Konsequenzen der Missense-Mutation c.632C>G nicht gleichermaßen deletär zu sein, da wir durch die Behandlung der ncstn-defizienten Zebrafische mit einer diese Mutation enthaltenden RNA den Hypopigmentierungsphänotyp umkehren konnten. Diese Ergebnisse veranschaulichen die Möglichkeiten einer Therapie von Pigmentierungsstörungen mittels der siRNA-Interferenz im Zebrafischmodell. Da diese Technologie mittlerweile auch erfolgreich beim Menschen zum Einsatz gekommen ist, könnte in Modellen wie dem hier verwendeten der Schlüssel zu einem besseren Verständnis komplexer biologischer Prozesse und eine Möglichkeit der ersten Evaluation zielgerichteter kausaler Therapiestrategien bei Patienten mit Pigmentierungsstörungen liegen.
 
Statistik