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Cerebral cavernous malformations (CCM) are low-flow vascular lesions prone to cause severe hemorrhage-associated neurological complications. Pathogenic germline variants in CCM1, CCM2, or CCM3 can be identified in nearly 100% of CCM patients with a positive family history. In line with the concept that tumor-like mechanisms are involved in CCM formation and growth, we here demonstrate an abnormally increased proliferation rate of CCM3-deficient endothelial cells in co-culture with wild-type cells and in mosaic human iPSC-derived vascular organoids. The observation that NSC59984, an anticancer drug, blocked the abnormal proliferation of mutant endothelial cells further supports this intriguing concept. Fluorescence-activated cell sorting and RNA sequencing revealed that co-culture induces upregulation of proangiogenic chemokine genes in wild-type endothelial cells. Furthermore, genes known to be significantly downregulated in CCM3−/− endothelial cell mono-cultures were upregulated back to normal levels in co-culture with wild-type cells. These results support the hypothesis that wild-type ECs facilitate the formation of a niche that promotes abnormal proliferation of mutant ECs. Thus, targeting the cancer-like features of CCMs is a promising new direction for drug development.
Cerebral cavernous malformation (CCM) is a neurovascular disease that can lead to seizures and stroke-like symptoms. The familial form is caused by a heterozygous germline mutation in either the CCM1, CCM2, or CCM3 gene. While the importance of a second-hit mechanism in CCM development is well established, it is still unclear whether it immediately triggers CCM development or whether additional external factors are required. We here used RNA sequencing to study differential gene expression in CCM1 knockout induced pluripotent stem cells (CCM1−/− iPSCs), early mesoderm progenitor cells (eMPCs), and endothelial-like cells (ECs). Notably, CRISPR/Cas9-mediated inactivation of CCM1 led to hardly any gene expression differences in iPSCs and eMPCs. However, after differentiation into ECs, we found the significant deregulation of signaling pathways well known to be involved in CCM pathogenesis. These data suggest that a microenvironment of proangiogenic cytokines and growth factors can trigger the establishment of a characteristic gene expression signature upon CCM1 inactivation. Consequently, CCM1−/− precursor cells may exist that remain silent until entering the endothelial lineage. Collectively, not only downstream consequences of CCM1 ablation but also supporting factors must be addressed in CCM therapy development.
Deletions in the CCM1, CCM2, and CCM3 genes are a common cause of familial cerebral cavernous malformations (CCMs). In current molecular genetic laboratories, targeted next-generation sequencing or multiplex ligation-dependent probe amplification are mostly used to identify copy number variants (CNVs). However, both techniques are limited in their ability to specify the breakpoints of CNVs and identify complex structural variants (SVs). To overcome these constraints, we established a targeted Cas9-mediated nanopore sequencing approach for CNV detection with single nucleotide resolution. Using a MinION device, we achieved complete coverage for the CCM genes and determined the exact size of CNVs in positive controls. Long-read sequencing for a CCM1 and CCM2 CNV revealed that the adjacent ANKIB1 and NACAD genes were also partially or completely deleted. In addition, an interchromosomal insertion and an inversion in CCM2 were reliably re-identified by long-read sequencing. The refinement of CNV breakpoints by long-read sequencing enabled fast and inexpensive PCR-based variant confirmation, which is highly desirable to reduce costs in subsequent family analyses. In conclusion, Cas9-mediated nanopore sequencing is a cost-effective and flexible tool for molecular genetic diagnostics which can be easily adapted to various target regions.
Zerebrale kavernöse Malformationen (CCMs) sind Gefäßfehlbildungen im Gehirn oder Rückenmark und können sich klinisch aufgrund einer erhöhten Blutungsbereitschaft mit Kopfschmerzen, Gefühls- und Sprachstörungen bis hin zu Krampfanfällen äußern. Sie treten sporadisch oder im Rahmen einer autosomal-dominant erblichen Form auf. Kausale Sequenzveränderungen sind dabei in den drei Genen CCM1, CCM2 und CCM3 bekannt. Die Detektionsrate für pathogene Varianten ist mit bis zu 60 % für sporadische Fälle und mit weit über 90 % für familiäre Fälle sehr hoch. Während Genpanel-Analysen sehr verlässlich Einzelnukleotidveränderungen, kleine Insertions- und Deletionsvarianten sowie Kopienzahlveränderungen detektieren können, werden komplexe Strukturvarianten oder Veränderungen in nicht-kodierenden Regionen kaum erfasst. Diese rücken jedoch für die bisher genetisch unaufgeklärten Fälle immer mehr in den Fokus des Interesses. Diese Arbeit adressiert daher zum einen die Identifizierung neuer Strukturvarianten und deren funktionale Interpretation im Kontext der CCM-Erkrankung.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit ist der erstmalige Nachweis einer interchromosomalen Insertion bei einem CCM-Patienten gelungen. Die unbalancierte Insertion genomischen Materials von Chromosom 1 in die kodierende Region des CCM2-Gens konnte durch die Verbindung von bioinformatischen Auswertestrategien der Next Generation Sequencing-Genpanel-Daten, molekularzytogenetischen Analysen und einer molekularen Bruchpunktkartierung genau charakterisiert werden. Die Identifikation einer weiteren Strukturvariante, einer Deletion des Transkriptionsstarts von CCM1, verdeutlichte die Herausforderungen bei der Bewertung von Veränderungen in nicht-kodierenden Genbereichen. Für eine eindeutige Klassifikation der Variante wurden daher funktionale Analysen durchgeführt, die auf einer CRISPR/Cas9-vermittelten Nachbildung der Deletion in iPSCs und der anschließenden Differenzierung in Endothelzellen beruhte. Damit konnte gezeigt werden, dass die Deletion zu einem Verlust der CCM1 mRNA- und Proteinexpression führt. Zudem wurde in den differenzierten Endothelzellen eine für die CCM-Pathogenese charakteristische Deregulation von KLF2, THBS1, NOS3 und HEY2 beobachtet. Schließlich war es auf Basis dieser in vitro-Analysen möglich, die Variante entsprechend den ACMG-Richtlinien als wahrscheinlich pathogen zu bewerten und somit die molekulare CCM-Diagnose zu sichern.
Die Verbindung des CRISPR/Cas9-Systems mit iPSCs ist nicht nur für die Variantenbewertung von großem Nutzen, sondern bietet auch das Potential zum besseren Verständnis von Krankheitsmechanismen. Ein weiterer Fokus der vorliegenden Arbeit lag daher auf der Etablierung und Verwendung iPSC-basierter Zellkulturmodelle für die CCM-Modellierung. Zunächst ist es gelungen, mehrere iPSC-Linien mit einer kompletten CRISPR/Cas9-vermittelten CCM1-, CCM2- oder CCM3-Inaktivierung zu generieren. Diese wurden anschließend für die Differenzierung in hBMEC-ähnliche Zellen und innovative dreidimensionale vaskuläre Organoide verwendet. In diesen Systemen konnte beispielsweise eindrücklich eine tumorähnliche Proliferation CCM3-defizienter Endothelzellen nachvollzogen werden, die nur in Kontakt mit Wildtyp-Zellen auftrat. RNA-Sequenzierungen in einem CCM1-basierten Knockout-Modell konnten darüber hinaus die Rolle von CCM1 als Endothel-spezifisches Suppressorgen stärken. Die im Rahmen der Arbeit etablierten Systeme werden zukünftig für weitere Fragestellungen der CCM-Pathogenese wie der endothelialen Barrierestörung eingesetzt und stellen darüber hinaus sehr gut geeignete Plattformen für die effektive Entwicklung dringend benötigter therapeutischer Ansätze dar.
Zerebrale kavernöse Malformationen (CCM) sind maulbeerartige Gefäßfehlbildungen, die sich klinisch in Form von rezidivierenden, migräneartigen Kopfschmerzen, epileptischen Anfällen oder hämorrhagischen Schlaganfällen äußern können. CCMs treten sowohl sporadisch als auch in einer autosomal-dominant erblichen Form auf. Die Prävalenz der symptomatischen erblichen Kavernome liegt bei 1:5400 bis 1:6200. Somit zählen sie zu den seltenen Erkrankungen. Pathogene Varianten in den Genen CCM1, CCM2 und CCM3 sind mit der Entstehung der Malformationen assoziiert. Speziell Träger einer pathogenen CCM3-Variante zeigen meist ein frühes Manifestationsalter und einen schwerwiegenderen klinischen Krankheitsverlauf.
Durch in der Greifswalder Arbeitsgruppe durchgeführte Transkriptomanalysen von CCM3-/- CI-huVECs konnten die im Vergleich zu den CCM3+/+ Zellen neben FN1 (Fibronektin-1-Gen) am stärksten herunterregulierten Gene FBLN5 und POSTN identifiziert werden. Sie kodieren für Proteine der EZM. In der vorliegenden Arbeit wurden die Auswirkungen der matrizellulären Proteine FBLN5 und POSTN erstmals im Rahmen der CCM3-Pathogenese untersucht. Weder die akute Herunterregulation von FBLN5 noch die von POSTN hatte einen Einfluss auf die Wachstumsmorphologie oder die Organisation des Aktinzytoskeletts. In Bezug auf die Angiogenese führten die akuten Herunterregulationen von FBLN5 und POSTN zu einer verminderten Ausbildung gefäßähnlicher Strukturen. Im nächsten Schritt wurde eine mögliche Rettung des Phänotyps der CCM3-/- Endothelzellen durch die Hinzugabe der rekombinanten Proteine FBLN5 und POSTN untersucht. Die Addition von rFBLN5 veränderte die Morphologie der Endothelzellen maßgeblich und führte zu einer gezielten Reorganisation des Aktinzytoskeletts. Die Supplementierung von rPOSTN wirkte im Zeitverlauf stabilitätssteigernd auf die gefäßähnlichen Strukturen und hatte einen rettenden Einfluss auf die angiogenetischen Eigenschaften der CCM3-/- Endothelzellen. In Zusammenschau mit den von Schwefel et al. (2020) publizierten Daten über Fibronektin ist davon auszugehen, dass Bestandteile der EZM eine modulatorische Rolle in der Entstehung von CCMs einnehmen. Allerdings bleibt bisher ungeklärt welche Mechanismen hierbei von Bedeutung sind.
Cerebral cavernous malformations are clusters of aberrant vessels that can lead to severe neurological complications. Pathogenic loss-of-function variants in the CCM1, CCM2, or CCM3 gene are associated with the autosomal dominant form of the disease. While interpretation of variants in protein-coding regions of the genes is relatively straightforward, functional analyses are often required to evaluate the impact of non-coding variants. Because of multiple alternatively spliced transcripts and different transcription start points, interpretation of variants in the 5′ untranslated and upstream regions of CCM1 is particularly challenging. Here, we identified a novel deletion of the non-coding exon 1 of CCM1 in a proband with multiple CCMs which was initially classified as a variant of unknown clinical significance. Using CRISPR/Cas9 genome editing in human iPSCs, we show that the deletion leads to loss of CCM1 protein and deregulation of KLF2, THBS1, NOS3, and HEY2 expression in iPSC-derived endothelial cells. Based on these results, the variant could be reclassified as likely pathogenic. Taken together, variants in regulatory regions need to be considered in genetic CCM analyses. Our study also demonstrates that modeling variants of unknown clinical significance in an iPSC-based system can help to come to a final diagnosis.
Genetic variants in α-actinin-2 (ACTN2) are associated with several forms of (cardio)myopathy. We previously reported a heterozygous missense (c.740C>T) ACTN2 gene variant, associated with hypertrophic cardiomyopathy, and characterized by an electro-mechanical phenotype in human induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes (hiPSC-CMs). Here, we created with CRISPR/Cas9 genetic tools two heterozygous functional knock-out hiPSC lines with a second wild-type (ACTN2wt) and missense ACTN2 (ACTN2mut) allele, respectively. We evaluated their impact on cardiomyocyte structure and function, using a combination of different technologies, including immunofluorescence and live cell imaging, RNA-seq, and mass spectrometry. This study showed that ACTN2mut presents a higher percentage of multinucleation, protein aggregation, hypertrophy, myofibrillar disarray, and activation of both the ubiquitin-proteasome system and the autophagy-lysosomal pathway as compared to ACTN2wt in 2D-cultured hiPSC-CMs. Furthermore, the expression of ACTN2mut was associated with a marked reduction of sarcomere-associated protein levels in 2D-cultured hiPSC-CMs and force impairment in engineered heart tissues. In conclusion, our study highlights the activation of proteolytic systems in ACTN2mut hiPSC-CMs likely to cope with ACTN2 aggregation and therefore directs towards proteopathy as an additional cellular pathology caused by this ACTN2 variant, which may contribute to human ACTN2-associated cardiomyopathies.
The German Consortium Hereditary Breast and Ovarian Cancer (GC-HBOC) consists of 23 academic centers striving to provide high-quality regional care for affected individuals and healthy at-risk family members. According to the standard operating procedures defined by the GC-HBOC, a Familial Breast and Ovarian Cancer Center was implemented at the University Medicine Greifswald over a four-year period from 2018 to 2021, despite the COVID-19 pandemic. Genetic analyses were performed in a total of 658 individuals, including 41 males, which paved the way to local annual risk-adapted breast cancer surveillance for 91 women and prophylactic surgery for 34 women in 2021. Our experience in the North Eastern part of Germany demonstrates that it is possible to establish a high-risk breast and ovarian cancer service even in a sparsely populated region. Major facilitators are the interdisciplinary collaboration of dedicated local experts, the support of the GC-HBOC, fruitful clinical and scientific cooperations and the use of technical improvements. As a blueprint, our project report may help to further expand the network of specialized and knowledge-generating care for HBOC families.
Zerebrale kavernöse Malformationen (CCM) sind Fehlbildungen im neurovaskulären System, welche aufgrund von Krampfanfällen und hämorrhagischen Schlaganfällen zu einer stark eingeschränkten Lebensqualität führen können. Die Prävalenz von symptomatischen, autosomal-dominant erblichen CCMs auf Basis einer pathogenen Keimbahnvariante in einem der drei Gene CCM1, CCM2 oder CCM3 wird auf 1:5400 bis 1:6200 geschätzt. Durch Genpanelanalysen können sowohl Punktmutationen als auch kleine Indels und Kopienzahlveränderungen in einem parallelen Ansatz nachgewiesen werden.
Zur weiteren Aufklärung der molekularen Pathogenese hereditärer Kavernome und zur Suche nach potenziellen Therapieansätzen wurde im Rahmen dieser Arbeit erstmals ein Patienten-spezifisches in vitro Zellmodell der Kavernomatose etabliert. Hierzu wurden zirkulierende endotheliale Vorläuferzellen (Blood Outgrowth Endothelial Cells, BOECs) aus dem Blut eines CCM-Patienten mit krankheitsverursachender heterozygoter CCM1-Keimbahnveränderung isoliert. Im Sinne der Knudson´schen Zweischrittinaktivierung zur Entstehung von Kavernomen wurde das zweite CCM1-Allel in Zellkulturen mit Hilfe der CRISPR/Cas9-Technologie ausgeschaltet. In klonal expandierten Zellkolonien konnte das Vorliegen einer Compound-Heterozygotie für die CCM1-Keimbahnvariante und eine zweite CRISPR/Cas9-induzierte loss-of-function Variante bestätigt werden.
Durch die zweite Mutation zeigten sich morphologische Veränderungen, die Störung endothelialer Zell-Zell-Verbindungen und eine vermehrte Aktin-Stressfaserbildung sowie eine deutliche Hochregulation des Transkriptionsfaktors KLF2. Zudem führte die komplette Inaktivierung des CCM1-Gens zu einer Akkumulation des von-Willebrand-Faktors (vWF). Die in der vorgelegten Arbeit erstmals beschriebene starke Anreicherung des vWF konnte in immortalisierten humanen Endothelzellen und zudem im Kavernomgewebe von Trägern pathogener CCM1-, CCM2- oder CCM3-Veränderungen bestätigt werden. Es ist daher denkbar, dass der erhöhte vWF-Spiegel im Endothel des kavernösen Gefäßkonvoluts zum lokalen hämostatischen Ungleichgewicht beiträgt.
Im Patienten-spezifischen BOEC-Modell konnte zudem erstmals in einem nicht-viralen und Plasmid-freien Ribonukleoprotein-basierten CRISPR/Cas9-Ansatz eine Mutationskorrektur der vorliegenden CCM1-Keimbahnveränderung erreicht werden. Die Ergebnisse der weiteren Kultivierungen und Amplikon-Tiefensequenzierungen zeigten jedoch sehr eindrücklich, dass der klonogene Überlebensvorteil von verbleibenden CCM1-inaktivierten BOECs zu einem deutlichen Überwachsen der korrigierten BOECs im Zellgemisch führt und eine CRISPR/Cas9-vermittelte Mutationskorrektur damit für CCM-Patient*innen keine
realistische Therapieoption darstellt. Diese Ergebnisse fließen in neue Ansätze der Therapieentwicklung ein, welche vor allem den klonalen Überlebensvorteil und die Apoptoseresistenz CCM-defizienter Zellen adressieren.
Zerebrale kavernöse Malformationen (CCM) sind Gefäßfehlbildungen des zentralen Nervensystems. Diese können durch Blutungen zu rezidivierenden Kopfschmerzen, epileptischen Anfällen oder hämorrhagischen Schlaganfällen führen. CCMs treten sowohl sporadisch als auch familiär mit autosomal-dominantem Erbgang auf. Die Prävalenz für symptomatisch erbliche Kavernome liegt bei 1:5400 bis 1:6200. Es wurden pathogene Sequenzveränderungen in den Genen CCM1, CCM2 und CCM3 mit der familiären Kavernomatose assoziiert. MicroRNAs (miRNA) sind kurze, nichtkodierende RNAs, die die Expression von vielen Zielgenen regulieren können. Bisher ist wenig über die posttranskriptionale Regulation der CCM3-Expression durch miRNAs bekannt.
Durch in silico Analysen wurde die Regulation von CCM3 durch die miRNAs miR- 103a-3p, miR-30a-5p und let-7f-2-3p vorhergesagt. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit konnte die Bindung dieser miRNAs an die 3'-UTR von CCM3 bestätigt werden. Die Transfektion von miR-103a-3p, miR-30a-5p- und let-7f-2-3p-Analoga in humane Nabelschnurvenenendothelzellen (HUVECs) führte zudem zu einer signifikanten oder tendenziellen Herunterregulation der CCM3-Expression auf mRNA-Ebene. Auf Protein-Ebene wurden ähnliche Ergebnisse erzielt. In vitro-Untersuchungen zur Wirkung der miRNA-Analoga auf die angiogenetischen Eigenschaften von Endothelzellen zeigten besonders nach miR-30a-5p-Transfektion einen proangiogenen Effekt auf HUVECs. Daher wurde die Wirkung dieser miRNA nachfolgend durch Transfektion eines miR-30a-5p-Inhibitors weiter untersucht. Diese führte zu einer Erhöhung der CCM3-Proteinmenge, nicht jedoch zu einer gesteigerten Expression auf mRNA-Ebene. In Übereinstimmung mit der Annahme einer proangiogenen Wirkung dieser miRNA zeigten sich negative Auswirkungen auf die angiogenetischen Eigenschaften von HUVECs nach Transfektion des miR-30a- 5p-Inhibitors. Zusammenfassend ergeben sich Hinweise, dass CCM3 von miR-103a- 3p, miR-30a-5p und let-7f-2-3p reguliert wird und dass besonders miR-30a-5p proangiogene Eigenschaften aufweist. Die Rolle der ausgewählten miRNAs bei der Pathogenese der CCMs ist jedoch nicht abschließend geklärt, wobei die Regulation von CCM3 durch ein großes, größtenteils noch unbekanntes Netzwerk von miRNAs anzunehmen ist.