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Abstract

TET enzymes are relatively novel players in the epigenetic regulation of mammalian DNA methylation. They participate in DNA demethylation, but their precise roles in different developmental and disease scenarios are not fully understood. The aim of this work was to investigate the biological roles of TET enzymes in lineage-committed normal and cancer cells. To this end, murine primary cells with genetic deletion of TET enzymes and human cancer cells with recurrent mutations in the cofactor providing isocitrate dehydrogenases (IDH), provoking competitive inhibition of TET enzymes, were analyzed. By characterizing mouse embryonic fibroblasts adipogenic differentiation defects, inefficient activation of genes relevant to adipogenesis and widespread gene deregulation upon TET1/2-deficiency were discovered. Examination of the genome-wide DNA methylation landscape demonstrated the hypermethylation of DNA methylation canyons as a main characteristic of the TET1/2-deficient methylome. Canyons were associated with developmentally important genes and canyon collapse due to hypermethylation coincided with developmental gene deregulation, defective induction of adipogenic markers and the hypermethylation of their promoters. Together, these findings uncovered a novel epigenetic regulatory role in the maintenance of DNA methylation canyons for TET1 and TET2 that is essential for epigenetic programming during differentiation. In the second part of this thesis, published array-based DNA methylation profiles of a large acute myeloid leukemia (AML) patient cohort were used to examine mutant IDH- (mIDH) and TET-dependent DNA methylation changes. This confirmed the known association between mIDH and genome-wide hypermethylation. However, similar global methylation changes were not present in TET2 mutant patients and mIDH carrying patients lacked specific canyon hypermethylation. Intriguingly, neither overexpression of mIDH, nor treatment of a leukemia cell line with D-2-hydroxyglutarate, which is a putative TET inhibitor produced by mIDH, recapitulated the mIDH-associated hypermethylation. Instead, comparison with hematopoietic reference methylomes revealed high similarity between mIDH-associated and myeloid progenitor methylation profiles, suggesting the involvement of differentiation state rather than TET inhibition in the hypermethylation phenotype. These findings implicate a previously unnoted factor in the epigenomic changes of AML cells with mIDH, which may be critical to understand and therapeutically target mIDH-dependent pathogenesis.

Translation of abstract (German)

TET Enzyme sind relativ neue Akteure in der epigenetischen Regulation von DNA-Methylierung in Säugern. Sie wirken an DNA-Demethylierung mit, jedoch sind ihre konkreten Rollen in verschiedenen Differenzierungs- und Krankheitsszenarien nicht vollständig aufgeklärt. In der vorliegenden Arbeit sollten die biologischen Funktionen von TET-Enzymen in determinierten normalen sowie Krebszellen erforscht werden. Dazu wurden primäre Mauszellen mit genetischer TET-Deletion und humane Krebszellen mit wiederkehrenden Mutationen in den Cofaktor-bereitstellenden Isocitrat-Dehydrogenasen (IDH), welche zu einer kompetitiven Enzymhemmung der TET Proteine führen, untersucht. Mittels Charakterisierung von embryonalen Mausfibroblasten wurden Defekte in der adipogenen Differenzierung, der Aktivierung von Adipogenese-relevanten Genen und der Genexpression bei TET1/2-Defizienz entdeckt. Die Untersuchung der genomweiten DNA-Methylierung identifizierte die Hypermethylierung von sogenannten DNA-Methylierungs-Canyons als wesentliches Merkmal des TET1/2-defizienten Methyloms. Canyons waren mit entwicklungsbiologisch relevanten Genen assoziiert und ihr Zusammenbruch durch Hypermethylierung war begleitet von Regulationsdefekten in Entwicklungsgenen, fehlerhafter Induktion von adipogenen Markern und Promoter-Hypermethylierung. Diese Ergebnisse schreiben TET1 und TET2 eine neuartige regulatorische Rolle in der Erhaltung von Canyons zu, die essentiell für die epigenetische Programmierung während der Differenzierung ist. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden publizierte Array-basierte DNA Methylierungsprofile einer großen akuten myeloischen Leukämie (AML) Patienten-Kohorte verwendet, um Methylierungsveränderungen durch mutante IDH (mIDH) und TET Enzyme zu analysieren. Dies bestätigte die bekannte Assoziation zwischen mIDH und genomweiter DNA Hypermethylierung. Allerdings waren ähnliche Veränderungen nicht in TET2 mutanten Patienten vorhanden und Patienten mit mIDH wiesen keine spezifische Canyon Hypermethylierung auf. Interessanterweise wurde die mIDH-assoziierte Hypermethylierung auch weder durch die Überexpression von mIDH, noch die Behandlung von Leukämiezellen mit D-2-Hydroxyglutarat, welches ein durch mIDH produzierter, mutmaßlicher TET Inhibitor ist, exakt nachgebildet. Stattdessen offenbarte der Vergleich mit hämatopoetischen Referenzmethylomen eine hohe Ähnlichkeit zwischen mIDH-assoziierten und myeloischen Progenitorzell-Methylierungsprofilen, was auf eine Beteiligung des Differenzierungsgrades anstelle der TET Inhibition an der Hypermethylierung hinweist. Diese Ergebnisse involvieren einen bisher unbeachteten Faktor in die epigenomischen Veränderungen von AML-Zellen mit mIDH, welcher entscheidend für das weitere Verständnis und die gezielte Therapie von mIDH-abhängiger Pathogenese sein könnte.