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Positionseffekte im 3D-Genom als Ursache für neurologische Entwicklungsstörungen

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Antragsteller

Privatdozent Dr. Malte Spielmann

Charité – Universitätsklinikum
Campus Virchow-Klinikum
Institut für Medizinische Genetik und Humangenetik

http://genetik.charite.de/

Zusammenfassung

Strukturvarianten (SVs) können die komplexe dreidimensionale (3D) Chromatin-Organisation des Genoms neu verknüpfen. Dies kann zur Neupositionierung von topologisch assoziierten Domänen (TADs) und zur Verschiebung von Enhancern in andere Kompartimente führen, was zu Fehlexpression und Krankheiten führen kann. Bisher sind die meisten der beschriebenen TAD-Störungen mit extrem seltenen Skelettphänotypen oder Krebserkrankungen verbunden. In Anbetracht der Tatsache, dass neurologische Entwicklungsstörungen mit einer Prävalenz von bis zu 1% sehr häufig sind und oft durch SVs verursacht werden, ist es wichtig, auch diese Krankheitsgruppe im Kontext der 3D-Positionseffekte zu untersuchen. Das zentrale Ziel des vorgeschlagenen Projekts ist es, Positionseffekte durch SVs im 3D-Genom als neuen Pathomechanismus für neurologische Entwicklungsstörungen zu untersuchen. Mehrere zentrale technische und analytische Herausforderungen behindern jedoch den Fortschritt bei der Erforschung der TAD-Störung bei neurologischen Entwicklungsstörungen: Betroffene Gewebe und Zellen von Patienten stehen in der Regel nicht für funktionelle Studien zur Verfügung, und es gibt derzeit nur sehr wenige Tiermodelle, da neurologische Phänotypen im Tiermodellen viel schwieriger zu untersuchen sind. Den aktuellen Pähnotypisierungs-Technologien fehlt der Durchsatz und die Auflösung, um einen globalen Überblick über die dynamischen molekularen Prozesse zu erhalten, die in den verschiedenen und schnell wachsenden Populationen und Subpopulationen von Neuronen während der Entwicklung stattfinden. Um diese technischen Herausforderungen und Einschränkungen anzugehen, schlagen wir drei experimentelle Ansätze vor:   Arbeitspaket 1: Wir wollen CRISPR/Ca9-basierte Mausmodelle von SVs generieren, die die räumliche Genomarchitektur verändern und Störungen der neurologischen Entwicklung verursachen. Wir werden Inter-TAD-SVs bei Leukodystrophie und intra-TADs-Deletionen die schweren Autismus verursachen untersuchen Arbeitspaket 2: Wir planen, 3C-Technologien in Mausmodellen und Patientenzellen einzusetzen, um die 3D Wirkung von SVs zu bewerten, die neurodegenerative Störungen im 3D-Genom verursachen.  Arbeitspaket 3: Wir beabsichtigen, Einzelzell-RNA-Sequenzierung (Sc-RNAseq) als Phänotypisierungstool für Mausmodelle von neurologischen Entwicklungsstörungen zu verwenden, um zuvor übersehene zelltypspezifische Phänotypen und Fehlexpressionen zu identifizieren. ScRNA-seq liefert die notwendige Auflösung, um transkriptionelle Veränderungen, molekulare Zustandsformen und Verläufe von neuronalen Zellen während der Entwicklung und der Erkrankung zu untersuchen. Unsere Studie wird zu einem besseren Verständnis der Genotyp-PhänotypKorrelationen von 3D-Positionseffekten bei Entwicklungsstörungen beitragen und eine wichtige wissenschaftliche Ressource für die Erforschung dieser Krankheiten schaffen.