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Die vorliegende Arbeit untersucht genetische Risikofaktoren der chronischen Pankreatitis (CP) mithilfe von Next-Generation Sequenzierungsdaten einer Primärkohorte und spezifischer Genotypisierung von Kandidatengenen in einer Validierungskohorte. Es sollten neue Risikovarianten identifiziert, bereits bekannte bestätigt und mögliche Synergismen bei trans-heterozygoten Merkmalsträgern aufgezeigt werden. Anhand einer Kandidatengen-Liste, u.a. aus dem Bereich der Proteasen, der Primärziliengene, des Immunsystems und des Fettstoffwechsels, wurden aus den Genom-Sequenzdaten einer Primärkohorte aus Patienten mit idiopathisch-chronischer Pankreatitis (ICP) und pankreasgesunden Kontrollprobanden potenzielle Risikovarianten für die CP zur Validierung ausgewählt. Die Auswertung der Sequenzdaten ergab vier Varianten mit signifikanter Häufung unter den ICP-Patienten (p.V579M [IFT74], p.H3215Y [FAT4], c.1023-8C>T [MAP2K1], p.F20L [FLII]), sowie drei weitere Varianten (p.S65C [HFE], p.F224L [IFT74], p.S522L [ZNF18]), die in der Primärkohorte eine ähnliche Verteilungs-Tendenz zeigten. Im Rahmen einer anschließenden Überprüfung der Sequenzvarianten mittels Real Time-PCR in einer größeren Validierungskohorte bestehend aus ICP-Patienten, Patienten mit alkoholisch-chronischer Pankreatitis (ACP) und gesunden Kontrollen konnten die Ergebnisse der Primärkohorte nicht bestätigt werden. Zwei Varianten (c.1023-8C>T [MAP2K1], p.F20L [FLII]) wurden jedoch ausschließlich bei Patienten mit CP nachgewiesen. In der erweiterten Primärkohorte wurden auch Prävalenz und Synergismen bekannter Risikovarianten für die CP überprüft. Es konnte die SPINK1-Variante p.N34S als Risikofaktor für alkoholisch-chronische Pankreatitis bestätigt werden (p=0,006). Die CTRC-Variante p.G60G kam im rezessiven Vererbungs-Modell signifikant häufiger bei Patienten mit ICP vor (p=0,02), unter den ACP-Patienten wurde das Signifikanzniveau jedoch nicht erreicht (p=0,05). In der Gruppe der CP-Patienten mit p.N34S-Mutation war das trans-heterozygote Vorliegen von p.G60G/p.N34S signifikant mit chronischer Pankreatitis assoziiert, sowohl für heterozygote als auch homozygote Träger der p.G60G-Mutation (p=0,005 bzw. p>0,0001). Somit konnte p.G60G ebenfalls als Risikofaktor für eine CP bestätigt werden. Die vermutlich Proteinfehlfaltungs-assoziierte CPA1-Variante p.E283K wurde bei einem ICP-Patienten, nicht jedoch bei pankreasgesunden Kontrollen, nachgewiesen. Auch das trans-heterozygote Vorliegen von CTRC- und CFTR-Varianten in dieser Kohorte war signifikant mit idiopathisch-chronischer Pankreatitis assoziiert (p=0,03). Für die Identifizierung neuer Risikovarianten waren die zur Verfügung stehenden NGS-Daten der Patientenkohorte nicht ausreichend, jedoch konnte ein erhöhtes CP-Risiko für spezifische Risikoallele und insbesondere trans-heterozygote Merkmalsträger nachgewiesen werden.
Bei der familiären Form zerebraler kavernöser Malformationen (CCMs) handelt es sich um eine autosomal-dominant erbliche Erkrankung, die durch pathogene Keimbahnvarianten in den Genen CCM1/KRIT1, CCM2 bzw. CCM3/PDCD10 ausgelöst wird und mit einer Prävalenz von 1:3300 bis 1:3800 in der Allgemeinbevölkerung vorkommt. Neben Punktmutationen und kleinen Indels werden auch Strukturvarianten (SVs) in den Krankheitsgenen beobachtet. Diese sind jedoch mithilfe von Short-Read-basierten Genpanel- oder Exomsequenzierungen in der Routinediagnostik zum Teil nur schwer zu identifizieren.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde daher eine neue CRISPR/Cas9-basierte Nanopore-Sequenzierung der Gene CCM1, CCM2 und CCM3 sowie der flankierenden genomischen Regionen etabliert. Die Abdeckung der Zielregionen mit Reads länger als 20 kb erlaubte die zuverlässige Detektion von Kopienzahlveränderungen. Darüber hinaus konnte anhand einer interchromosomalen Insertion und einer 24 kb großen Inversion gezeigt werden, dass die Methode auch komplexere SVs nachweisen kann. Das Protokoll einer Cas9-basierten Sequenzierung ausgewählter genomischer Zielregionen auf der MinION-Plattform kann gut auf andere Fragestellungen übertragen werden und lässt sich mit vergleichsweise geringem Aufwand in vielen Laboren etablieren.
Ein zweiter Schwerpunkt der Promotionsarbeit lag auf der Entwicklung neuer, vielseitig einsetzbarer Zellkulturmodelle der CCM-Erkrankung. Mithilfe CRISPR/Cas9-vermittelter Genomeditierungen in fluoreszenzmarkierten humanen induzierten pluripotenten Stammzellen (hiPSCs) konnten komplexe Kokulturmodelle sowie dreidimensionale vaskuläre Organoidkulturen etabliert werden. Anhand von aus CCM3-defizienten hiPSCs differenzierten humanen Endothelzellen (ECs) und vaskulären Mosaikorganoiden ließ sich ein klonaler Überlebensvorteil von CCM3-/--Zellen in Kokultur mit Wildtyp-Zellen nachweisen, welcher kürzlich auch in CCM-Mausmodellen als Schlüsselelement der CCM-Pathogenese beschrieben wurde. In den neuen Zellkulturmodellen ließ sich auch der positive Effekt des in der Greifswalder Arbeitsgruppe identifizierten Kandidatenwirkstoffs NSC59984 auf die tumorähnliche Proliferation von CCM3-/--Zellen in Kokultur validieren. Durch systematische RNA-Sequenzierungen konnte zudem nachgewiesen werden, dass CCM1 für die Differenzierung von ECs aus hiPSCs nicht erforderlich ist, jedoch die physiologische Funktion von ECs aufrechterhält.
Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeiten belegen nicht nur die Praktikabilität und Sicherheit der Identifizierung komplexer genomischer Strukturvarianten mittels CRISPR/Cas9-vermittelter Nanopore-Sequenzierungen, sondern sie ebnen zudem den Weg zur effektiven Testung neuer CCM-Therapieansätze im Hochdurchsatzverfahren und erlauben einen neuen Einblick in die noch immer unvollständig verstandene CCM-Pathogenese.