Die genomische Rolle von FXR in NAFLD

Die nicht-alkoholische Fettlebererkrankung (NAFLD) stellt ein weltweit zunehmendes medizinisches sowie sozioökonomisches Problem mit bisher ungenügenden pharamkologischen Behandlungsmöglichkeiten dar. Kernrezeptoren (NRs) sind vielversprechende therapeutische Angriffspunkte in der Behandlung der NAFLD. NRs binden definierte DNA Bindestellen und regulieren dadurch die Transkription ihrer Zielgene. Neuste Studien haben jedoch gezeigt, dass diese Bindestellen und die dadurch regulierten Gene speziesspezifisch sind und darüber hinaus durch die metabolische Stoffwechsellage, wie bei NAFLD, stark beeinflusst werden. Diese Erkenntnisse beeinträchtigen maßgeblich die Umsetzung von NR Studien aus diversen Mausmodellen auf entsprechende pharmakologische Ansätze am Patienten. Hauptziel ist es daher, erstmals das globale DNA Bindeprofil von FXR, dem zurzeit vielversprechendsten NR in klinischer Erprobung zur Behandlung der NAFLD, im Lebergewebe von Patienten mit NAFLD zu erstellen. Wir werden genomweit die spezifischen FXR Bindestellen und FXR transkribierten Gene in normalen und NAFLD-Patienten, die im Rahmen einer klinischen Studie den FXR Agonisten Obeticholsäure (OCA) erhalten, bestimmen. Das Ergebnis dieser genomische Untersuchungen wird mit dem metabolischen und histologischen Profil dieser Patienten verglichen. Zusätzlich werden wir im Detail FXR-DNA Interaktionen in steatotischen humanen Hepatozyten untersuchen. Wir erhoffen uns dadurch zukünftig individualisiertere und zielgerichtetere Behandlungsmöglichkeiten aufzuzeigen. Der Antrag besteht aus drei spezifischen Zielen: 1.Bestimmung von NRs Bindemotifen in regulatorischen Chromatineinheiten im Lebergewebe von normalen Patienten und Patienten mit NAFLD. Wir werden regulatorische Chromatineinheiten mithilfe der FAIRE-Seq Methode isolieren und analysieren. Zuerst werden wir eine Motifanalyse für unbekannte Transkriptionsfaktoren durchführen, gefolgt von einer spezifischen Motifanalyse für die metabolisch aktiven NRs FXR, LRH-1, LXRs und PPARs anhand ihrer etablierten Bindemotife. 2.Bestimmung der spezifischen FXR Bindestellen im Lebergewebe von normalen Patienten und NAFLD-Patienten, die mit oder ohne dem FXR Liganden OCA behandelt wurden. Wir werden FXR Bindestellen mittels der FXR ChIP-Seq Technik bestimmen und transkribierte Gene mittels der RNA-Seq Technik. Das genetische Profil der Bindestellen und transkribierten Gene wird mit dem metabolischen und histologischem Profil dieser Patienten abgeglichen. 3.Bestimmung der Chromatinveränderungen, die für FXR Bindung und Transkription unter steatotischen Bedingungen notwendig sind. Für eine detaillierte Analyse der epigenetischen Voraussetzungen für FXR-Chromatin Bindungen werden wir primäre humane Hepatozyten mit Fettsäuren zur Induktion einer Steatose und verschiedenen FXR Agonisten behandeln. Die Experimente werden Untersuchungen von globalen Histon-Methylierungen, die die FXR Wirkung positiv oder negativ beeinflussen können, und Polymerase II Bindungen als Marker für die transkriptionelle Aktivität, umfassen. 1

Die nicht-alkoholische Fettlebererkrankung (NAFLD) stellt ein weltweit zunehmendes medizinisches sowie sozioökonomisches Problem mit bisher ungenügenden pharamkologischen Behandlungsmöglichkeiten dar. Kernrezeptoren (NRs) sind vielversprechende therapeutische Angriffspunkte in der Behandlung der NAFLD. NRs binden definierte DNA Bindestellen (das sog. "Cistrome") und regulieren dadurch die Transkription ihrer Zielgene (das sog. "Transcriptome"). Neuste Studien haben jedoch gezeigt, dass diese Bindestellen und die dadurch regulierten Gene speziesspezifisch sind und darüber hinaus durch die metabolische Stoffwechsellage, wie bei NAFLD, stark beeinflusst werden. Diese Erkenntnisse beeinträchtigen maßgeblich die Umsetzung von NR Studien aus diversen Mausmodellen auf entsprechende pharmakologische Ansätze am Patienten. Hauptziel war es daher, erstmals das globale DNA Bindeprofil von FXR, dem zurzeit vielversprechendsten NR in klinischer Erprobung zur Behandlung der NAFLD, im Lebergewebe von Patienten mit NAFLD zu erstellen. Wir haben genomweit die spezifischen FXR Bindestellen und FXR transkribierten Gene in normalen und NAFLD-Patienten, die im Rahmen einer klinischen Studie den FXR Agonisten Obeticholsäure (OCA) erhielten, bestimmt. Das Ergebnis dieser genomische Untersuchungen wurde mit dem metabolischen Profil dieser Patienten verglichen. Unsere Studien zeigten, dass sich die FXR-Bindestellen zwischen übergewichtigen Patienten, welche allermeistes auch eine NAFLD haben, und normalgewichtigen Patienten deutlich unterscheiden. FXR bindet bei adipösen Patienten mit NAFLD an wesentlich mehr Bindestellen, was in weiterer Folge auf zusätzliche Signalwege bei verändertem metabolischen Hintergrund, d.h. bei einer Fettleber, hindeutet. Wir haben mehrere molekulare Mechanismen, die ursächlich für diese Unterschiede sein könnten, getestet, aber es bleibt weiterhin unklar, was diese deutlichen Unterschiede der FXR-Bindung verursacht. Wir konnten jedoch die wichtigsten Folgen der unterschiedlichen FXR-Bindungen definieren. Durch die bioinformatische Kombination des FXR-Cistroms mit dem Transkriptom konnten wir als einen Hauptmechanismus der OCA-Wirkung bei adipösen Patienten die "mitochondriale Biogenese und Funktion" identifizieren. Durch Bestimmung zusätzlicher metabolische Veränderungen nach OCA-Behandlung, beobachteten wir, dass OCA den gestörten Redoxzustand bei adipösen Patienten ausgleichen konnte. In Übereinstimmung mit den genomweiten und metabolischen Veränderungen fanden wir in weiterer Folge heraus, dass FXR den Transkriptionsfaktor PGC1alpha, welcher ein Master-Regulator der mitochondrialen Biogenese ist, selektiv bei übergewichtigen Patienten reguliert. Darüber hinaus reguliert FXR kritische Enzyme der mitochondrialen Abwehr von Sauerstoffradikalen, wie z. B. die Superoxid Dismutase. Insgesamt deuten die Ergebnisse unserer Studien darauf hin, dass der metabolische Hintergrund, in diesem Fall die Fettleber, die FXR-Bindung und in weiterer Folge auch die FXR-Signalwege bei Übergewichtigkeit bestimmt. Folglich kann die Behandlung von übergewichtigen Patienten mit FXR-Agonisten zu noch unbekannten Effekten führen. Einer dieser Effekte ist die Wiederherstellung des Redoxzustands. Die Ergebnisse wurden noch nicht veröffentlicht, sind aber in Vorbereitung zur Einreichung.