Identifikation von funktionellen Enhancer-Mutationen in der Gehirnentwicklung von Primaten

• Antragsteller: Dr. Severin Uebbing
• Fachliche Zuordnung: Entwicklungsneurobiologie ; Evolution, Anthropologie ; Evolutionäre Zell- und Entwicklungsbiologie der Tiere ; Humangenetik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 352711928

Es wird angenommen, dass genetische Variation in genregulatorischen Sequenzen maßgeblich sowohl zu genetisch bedingten Krankheiten als auch zur Evolution humanspezifischer Merkmale beiträgt. Es ist jedoch noch immer kaum möglich vorherzusagen, welche genomischen Varianten in welchem Ausmaß regulatorische Funktion beeinflussen. Bisherige Modelle basieren zumeist auf deskriptiven Daten zur Funktion genregulatorischer Elemente wie evolutionärer Sequenzkonservierung, was zu geringer statistischer Signifikanz und damit einhergehend zu häufigen falsch positiven Resultaten durch mangelnde experimentelle Daten führt.Ich schlage daher eine Studie zur Quantifizierung von Mutationseffekten in Enhancer-Sequenzen vor, um mit einem statistischen Modell Vorhersagen zu Mutationseffekten zu treffen. In einem Regulatorsequenz-Test werde ich dabei die Effekte humanspezifischer Substitutionen in Enhancern, welche erhöhte Aktivität in der Entwicklung der Großhirnrinde im Menschen aufweisen, quantifizieren. In einem parallelen Ansatz werde ich neurale Stammzellen, einem Modell für die Gehirnentwicklung, aus induzierten pluripotenten Stammzellen von Mensch und Schimpanse generieren. Ich werde genomweite Vergleiche regulatorischer Aktivität anhand von Histonmarkierungen und zugänglichen Chromatinregionen in diesen Zellen mit humanspezifischen Substitutionen verknüpfen. Anschließend werde ich, basierend auf diesen zwei experimentellen Datensätzen, ein statistisches Modell zur allgemeinen Identifizierung von genetischen Varianten mit Einflüssen auf die Enhancer-Aktivität erstellen. Zur Vorhersage funktioneller Effekte von Enhancer-Mutationen dient dabei eine große Auswahl genomweiter Faktoren wie Sequenzzusammensetzung, Bindestellen für Transkriptionsfaktoren, evolutionäre Sequenzkonservierung oder biochemische Markierungen. Der zweigleisige Ansatz aus Regulator-Experiment und biochemischen Vergleichen wird es mir ermöglichen, Substitutionen zu identifizieren, die regulatorische Aktivität entweder direkt durch Sequenzunterschiede oder indirekt durch veränderte Chromatinaktivität beeinflussen. Schließlich werde ich das Modell testen, indem ich genetische Varianten, für die große Effekte hervorgesagt werden, in neuralen Stammzellen von Mensch und Schimpanse detailliert analysiere.Dieses Projekt wird sowohl spezifische Erkenntnisse zur Evolution der menschlichen Hirnentwicklung als auch generelle Einblicke in die Evolution regulatorischer Funktion in Enhancer-Sequenzen liefern. Die direkten experimentellen Daten meiner Analysen werden eine bessere Vorhersage von genetischen Varianten mit Einfluss auf regulatorische Funktion ermöglichen. Eine effektive Methode die Effekte von Mutationen in genregulatorischen Sequenzen hervorzusagen wird erheblich zu einem besseren Verständnis dazu beitragen, wie genetische Variation regulatorische Funktionen, und damit letztendlich unsere Biologie, beeinflusst.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor James P. Noonan, Ph.D.