Funktion von Risiko-Loci für Hämatologische Erkrankungen

Genom-weite Assoziations- (GWA) Studien zeigten den Einfluss genetischer Variation auf das Risiko für Krebserkrankungen auf. Die Ziel-Forschungsgruppe für das vorliegende Projekt identifizierte zehn Risiko-Loci für chronische lymphatische Leukämie (CLL) und vier für akute lymphoblastische Leukämie (ALL). Alle identifizierten Risiko-Allele haben individuell eine geringe Auswirkung auf das Risiko für CLL und ALL, alle zusammen jedoch haben einen beträchtlichen Einfluss auf das Krebs-Risiko. Die genetische und biologische Grundlage der spezifischen Assoziationen herauszufinden ist eine Herausforderung, da die Single-Nucleotid- Polymorphyismen (SNPs), welche in GWA Studien gefunden werden mit Krebs-Risko assoziiert zu sein, generell nicht direkt Kausal sind, sondern mit funktionellen Varianten korrelieren. Darüber hinaus befinden sich mehrere der Risiko-Loci in "gene deserts", also in Regionen im Genom, welche frei sind von identifizierbaren Genen oder Transkripten. "Chromosome Conformation Capture" (3C) Experimente liefern mehr und mehr Beweis dafür, dass unterschiedlich effektive, über kurze oder lange Distanz wirkende Enhancer-Promotor-Interaktionen funktionell für die Krebs-Assoziation verantwortlich sind. 3C weist jedoch jene Einschränkung auf, dass nur a priori in Betracht gezogene Interaktionen gefunden werden können. Das Projekt-Proposal besteht darin, eine absolut agnostische Methode für die Detektion von Genom-weiten Chromatin-Interaktionen mit Risiko-Loci als vordefinierte Test- Regionen zu entwickeln. Dies wird erreicht indem HiC, eine Weiterentwicklung von 3C, mit einem Sequenz- Einfang-Schritt kombiniert wird, der auf die genomischen Regionen, welche die Assoziationen definieren, gerichtet ist. Funktionelle Interaktionen zwischen regulatorischen Elementen und Genen werden anschließend mit konventioneller 3C validiert. Durch das Kombinieren von Daten über Genom-weite Interaktionen mit konventioneller Fein-Kartierung ("fine-mapping") der Assoziations-Signale, in-silico Vorausberechnung regulatorischer Elemente und funktionellen Studien (z.B. "reporter gene assays") wird es möglich sein herauszufinden, welche Mechanismen den 14 Leukämie Risiko-Loci unterliegen. Während der Besuch-Phase des Projektes im Ziel-Labor wird die Methode entwickelt und anschließend auf die 14 Leukämie Risiko-Loci in ALL und CLL Zelllinien und Primär-Zellen aus Patienten-Proben angewandt werden. Die Rückkehr-Phase wird entscheidend sein für die Anwendung der Technik in der Erforschung der funktionellen Basis von vererbbarem Risiko für Myeloproliferative Neoplasmen (MPN), einer Gruppe von myeloiden Erkrankungen an welchen die "Heim-Forschungsgruppe" arbeitet. Die Strategie, Genom-weite Interaktionen mit Risiko-Loci für hämatologische Erkrankungen mithilfe einer unvoreingenommen Methode zu charakterisieren, gefolgt von in-silico Vorausberechnungen von regulatorischen Elementen und weiterführenden funktionellen Studien, wird einen wichtigen Einblick in die mechanistische Grundlage von Risiko-Varianten für lymphoide und myeloide Leukämien geben.

Genetische Variation in Teilen des Genoms kann das Krebsrisiko durch Effekte auf entfernte Gene erhöhen. DNA-Sequenzen in Genwüsten (DNA-Regionen ohne Gene) können die Aktivität von anderswo gelegenen Genen regulieren, indem sie DNA-Schleifen über große Entfernungen hinweg bilden. In den letzten Jahren haben Genomweite Assoziationsstudien (GWAS) vererbbare Risikoregionen für viele Formen von Krebs identifiziert. Diese Regionen liegen oft in Genwüsten und beinhalten in der Bevölkerung allgemein verbreitete DNA-Varianten. Kausale Varianten innerhalb der Risikoregionen beeinflussen regulatorische Elemente. Man weiß, dass solche regulatorischen Elemente mehrere Zielgene regulieren können, indem DNA-Schleifen über relativ große Entfernungen gebildet werden. Es ist deshalb eine Herausforderung die Zielgene einer mit Krebs assoziierten DNA-Region zu identifizieren und in weiterer Folge die zugrunde liegenden biologischen Mechanismen zu verstehen. Physische Interaktionen zwischen in den Risikoregionen liegenden regulatorischen Elementen und ihren Zielgenen können durch auf Chromosom-Konformations-Erfassung basierenden Methoden (z.B. 3C, 4C, 5C, Hi-C) identifiziert werden. Da mehrere Interaktionspartner für mehrere Elemente innerhalb einer einzigen Krebsrisikoregion möglich sind, benötigt man eine agnostische Detektionsmethode. In der Auslandsphase des Erwin-Schrödinger-Stipendiums haben wir eine neue, auf DNA-Sequenz-Anreicherung aufbauende Version der Hi-C Methode entwickelt - Capture Hi-C (cHi-C). Diese Methode ermöglicht die Charakterisierung von Chromatin-Interaktomen (der Gesamtheit aller Interaktionen) mit hoher Auflösung. In einer Pilotstudie haben wir cHi-C auf 14 Risikoregionen für Darmkrebs angewendet. In der Folge haben wir unsere Chromatin-Interaktions-Studien auf 14 Risiko-Regionen für Leukämien ausgeweitet. Wie ursprünglich für die Rückkehrphase des Stipendiums vorgeschlagen, wurden die während der Auslandsphase etablierten Methoden auf Forschungen zum vererbbaren Risiko für Myeloproliferative Neoplasien (MPN), einer chronischen, bösartigen Bluterkrankung, angewendet. Neben populationsbasierenden Studien für die Entdeckung und Charakterisierung von genetischen Assoziationen in MPN, haben wir funktionelle Studien für MPN-Risikoregionen initiiert. Die Erfassung von cHi-C Chromatin-Interaktomen für sechs mit MPN in Zusammenhang stehenden Risikoregionen stellt den Kern dieser Studien dar. Die hier angeführten Projekte haben ein hohes Potential, sich auf Prävention und Behandlung von Darmkrebs, Leukämien und MPN auszuwirken. Wissen um die genetisch bedingte Anfälligkeit für Krebserkrankungen kann das klinische Management positiv beeinflussen. Ein vollständiges Verständnis der diesen Risikofaktoren zu Grunde liegenden biologischen Mechanismen ist essentiell um Strategien für die Entwicklung neuer Medikamente entwickeln zu können.