Reverses Engineering von Störungen neuronaler Entwicklung

Geistige Behinderung (Intellectual disability, ID) ist ein häufiges Merkmal vieler neurologischer Ent- wicklungskrankheiten (Neurodevelopmental diseases, NDD) und hat eine geschätzte Prävalenz in un- gefähr 2-3% der Bevölkerung in der westlichen Welt. Trotz der starken Bündelung von klinischen Be- obachtungen und der Behinderung zugrundeliegenden Genetik, hat die Diagnostik immens von der Verbesserung und erhöhten Verfügbarkeit von Next Generation Sequencing (NGS)-Sequenzierungs- strategien profitiert. Während Mutationen in über 1000 Genen bekanntermaßen eine monogeneti- sche Form der ID verursachen, sind schätzungsweise über 40% aller ID noch nicht entdeckt, was wie- derum die Notwendigkeit einer funktionellen Aufarbeitung unterstreicht, welche für die Identifikation der genetischen Kausalität erforderlich ist. Unser Ziel ist es, häufige molekulare Stoffwechselwege in bekannten Genen, die im Zusammenhang mit ID stehen, zu identifizieren und einen netzwerkbasierten Ansatz zu entwickeln, um Gene vorher- zusagen, die eine Rolle bei ähnlichen Pathologien ihrer genetischen Nachbarn spielen könnten. Um ein Verständnis der funktionalen Beziehung zwischen ID-verursachenden Genen zu erhalten, ha- ben wir mithilfe einer systembasierten Berechnungsmethode ein `ID-Interaktom` erstellt, das ein in- tegriertes Netzwerk aller physikalischen Interaktionen von Genprodukten abbildet, die bei menschli- chen PatientInnen als ID-auslösend identifiziert wurden. Wir nutzen CRISPR-Cas9-Genomeditierung und pharmakologische Manipulationen, um den Einfluss identifizierter häufiger Stoffwechselwege oder neu vorhergesagter Gene auf zelluläre Pathologien zu bestimmen. Der übliche Arbeitsablauf wird daher umgekehrt, indem wir zuerst mögliche krankheits- verursachende Gene identifizieren und funktional validieren und dann nach bereits sequenzierten, aber immer noch nicht diagnostizierten Patienten mit vielversprechenden Varianten unserer validier- ten Gene suchen. Dieser Ansatz bietet die Möglichkeit, viele Patienten schnell zu diagnostizieren und eine Datenbank mit potenziell ursächlichen Genen für zukünftige Fälle zu erstellen. Darüber hinaus bietet die Studie Einblicke in die grundlegende zelluläre Neurobiologie, was auch Auswirkungen auf andere unzusam- menhängende Krankheiten haben kann.

Eine seltene Krankheit wird von der Europäischen Union als eine Krankheit definiert, die weniger als 5 von 10.000 der Allgemeinbevölkerung betrifft, was bedeutet, dass in der Europäischen Union etwa 22 Millionen Menschen an einer seltenen Krankheit leiden. Gegenwärtig sind etwa 7 000 seltene Krankheiten bekannt, von denen viele vererbt werden, monogenetischen Ursprungs sind und früh im Leben diagnostiziert werden und daher als chronisch gelten. Leider werden viele seltene Krankheiten nicht diagnostiziert, und für die meisten gibt es keine direkten therapeutischen Maßnahmen. Die jüngsten technologischen Fortschritte haben die Entdeckung genetischer Ursachen für seltene Krankheiten erheblich verbessert, doch die detaillierte Charakterisierung und die therapeutischen Optionen für diese gefährdeten Patienten hinken hinterher. Eine umfassende klinische Charakterisierung reicht oft nicht aus, um die Kliniker über die genetischen Ursachen oder die geeigneten Behandlungsmöglichkeiten zu informieren, daher muss die genetische und molekulare Charakterisierung der Krankheitspathologie klar definiert werden. Aus grundlagenbiologischer Sicht gibt uns die Untersuchung monogener Krankheiten auch wertvolle Einblicke in die Beziehung zwischen Genotyp und Phänotyp, die für die menschliche Physiologie relevant ist. Ein großer Teil der seltenen Krankheiten betrifft das Nervensystem. Wir interessieren uns besonders für die Ursachen ungeklärter seltener Formen geistiger Behinderungen (ID), um gemeinsame molekulare Pfade zu identifizieren und potenzielle therapeutische Ziele aufzudecken, die für mehr als eine Störung relevant sein könnten. Wir haben daher modernste "trockene" und "nasse" Labortechniken kombiniert, einschließlich Systembiologie und CRISPR-Cas9-editierte Stammzellen, um eine Untergruppe seltener IDs zu identifizieren und zu validieren, die möglicherweise auf gemeinsamen molekularen Wegen konvergieren. Wir haben uns auf ein Unternetzwerk von ID-verursachenden Genen konzentriert, das ein hochgradig interaktives Gen RAC1 umgibt, das wir zum Beweis unseres Konzepts als "RAC-ome" bezeichnen. Im Rahmen unserer Bemühungen haben wir ein hochgradig vernetztes Krankheitsgennetzwerk rund um RAC1 identifiziert, das mit ähnlichen neuronalen Pathologien einhergeht. Wir haben Knock-outs von etwa 100 Genen in diesem Netzwerk in drei transformierten Zelllinien erzeugt, um morphologische Abweichungen und andere vorausgesagte pathologische Merkmale zu analysieren, die durch individuelle Genstörungen verursacht werden. Darüber hinaus haben wir ein kleines Wirkstoffscreening von FDA- und EMA-zugelassenen Medikamenten für neurologische Erkrankungen durchgeführt, um die beteiligten Signalwege weiter zu bestätigen und die Wechselwirkungen zwischen Genen und Medikamenten zu bestimmen. Zur Validierung unserer Ergebnisse haben wir eine Dox-induzierbare, Cas9-stabil exprimierende iPSC-Linie für die schnelle Erzeugung von Neuronen mit ausgewählten Genstörungen entwickelt. Darüber hinaus haben wir drei individuelle, von Patienten abgeleitete neuronale Linien mit pathologischen Varianten eines Gens innerhalb dieses Netzwerks für eine detaillierte molekulare Analyse erzeugt. Nach der Fertigstellung sollen diese Daten Licht auf einen kritischen medizinischen Bedarf werfen, indem sie nicht nur neue Krankheitsgene in Zelllinien und Neuronen identifizieren und validieren und gemeinsame molekulare Pfade bestimmen, sondern auch eine Plattform für therapeutische Interventionsscreens schaffen, die zu neuen Therapien führen können.