Generierung von Chromosomalen Kopienzahlvariationen in Human Stammzellen zur Modellierung Psychiatrischer Erkrankungen

• Antragsteller: Dr. Daniel Haag
• Fachliche Zuordnung: Molekulare Biologie und Physiologie von Nerven- und Gliazellen
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 272697065

Psychiatrische Erkrankungen wie Schizophrenie und Autismus sind tiefgreifende Neuroentwicklungsstörungen mit steigenden Diagnoseraten. Das heterogene Erscheinungsbild dieser Krankheiten spiegelt sich in den komplexen genetischen Ursachen wider, die neben seltenen Genmutationen häufig Kopienzahlvariationen (CNVs) kleinerer chromosomaler Abschnitte beinhalten. Trotz Identifikation zahlreicher, wiederkehrender CNVs ist die Untersuchung einhergehender Mechanismen der Krankheitsentstehung äußerst schwierig. Für eine gezielte genetische Manipulation stehen derzeit nur Mausmodelle zur Verfügung, in denen jedoch Unterschiede in der chromosomalen Architektur und Entwicklungen bestimmter Hirnregionen im Vergleich zum Mensch nur begrenzt Schlussfolgerungen zulassen. Eine vielversprechende Alternative zu Mausmodellen bietet hierbei die Verwendung von humanen induziert pluripotenten Stammzellen (iPS Zellen). Diese können mittels moderner Gentargeting-Techniken vielseitig modifiziert und anschließend in nahezu jeden Zelltyp ausdifferenziert werden. Hierdurch erhält man die Möglichkeit, krankheitsassoziierte genetische Veränderungen in einem humanen Kontext nachzustellen und direkte Auswirkungen in einem relevanten Gewebe zu untersuchen. In dem hier beschriebenen Projekt werden in humanen Stammzellen gezielt CNVs einer 500 Kilobasen großen Region auf Chromosom 16p11.2 generiert. Sowohl Duplikation als auch Deletion dieser Kandidatenregion treten häufig in Patienten mit Autismus auf, zudem stellt die Duplikation einen Risikofaktor für Schizophrenie dar. Mittels Adeno-assoziierten Viren zwei Rekombinationssequenzen um die CNV-Region herum in das Genom der Stammzellen eingebracht. Durch Zugabe des Enzyms Cre-Rekombinase können sich diese Sequenzen miteinander verknüpfen und dabei den Bereich zwischen ihnen entfernen, oder verdoppeln, falls unterschiedliche Sequenzen auf zwei Schwesterchromatiden miteinander reagieren. Durch eine Kombination von unterschiedlicher Resistenzgenen kann man gezielt für eine Deletion oder eine Duplikation selektieren und erhält somit isogene Zelllinien mit unterschiedlichen Kopienzahlen der Kandidatenregion. Um die biologischen Auswirkungen dieser CNVs auf die Funktion von Nervenzellen zu untersuchen, werden die Stammzellen dann in Neurone ausdifferenziert. Durch elektrophysiologische Messungen in Zellen unterschiedlicher CNVs werden spezifische Auswirkungen auf die synaptischen Übertragung und Reizweiterleitung untersucht. Zusätzliche werden Analysen hinsichtlich Form und Wachstumsverhalten der Neurone vorgenommen und Unterschiede in der Genexpression bestimmt. Ziel ist es, mögliche krankheitsverursachende Prozesse auf molekularer Zellebene zu identifizieren und deren Zusammenhang mit der Kopienzahlvariation auf 16p11.2 aufzuklären. Die hieraus gewonnenen Erkenntnisse sollen langfristig helfen, spezifischer Therapieansätze für Autismus und Schizophrenie zu entwickeln, die das weite Spektrum an Symptomen gezielter behandeln können.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Marius Wernig, Ph.D.