Direct dissection of genomic features determining transcription factor binding, and systematic characterization of long noncoding RNAs, which are associated with an increased risk of aggressive periodontitis

• Applicant: Professor Dr. Arne Schäfer
• Subject Area: Dentistry, Oral Surgery ; Human Genetics
• Term: from 2017 to 2021
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 396785342

• Final Report Year: 2022

Final Report Abstract

Die wichtigsten wissenschaftlichen Fortschritte der Arbeit bestehen darin, dass die Gene SIGLEC5 und CTD-2353F22.1 als Zielgene der genetischen Assoziationen bestimmt und zwischen diesen Genen sowie dem Gen PLASMINOGEN genetische Interaktionen festgestellt wurden. Darüber hinaus konnte als wichtige Erkenntnis die diesen Assoziationen zu Grunde liegenden kausalen Varianten identifiziert, sowie die an den PCVs bindenden TFs MAFB und ERG (SIGLEC5) ermittelt wurden. Dadurch wurde der besondere ätiologische Zusammenhang der PD mit der Wundheilung und insbesondere der Angiogenese hervorgehoben. Dieser sollte aufgrund der genomweiten Signifikanz der Assoziation von SIGLEC5 mit sowohl seltenen schweren als auch häufigen moderaten Formen der PD eine generelle ätiologische Bedeutung besitzen. Es ist damit zu erwarten, dass die Erkenntnisse dieser Arbeit in der Zukunft einen Einfluss auf Diagnostik und Therapieentwicklungen nehmen können und auch die Grundlagenforschung zur Ätiologie der PD weiter bestimmen werden. Darüber hinaus konnte erstmals innerhalb der Oralmedizin gezeigt werden, dass die Träger bestimmter Kombinationen putativ kausaler Varianten in den PD Risikogenen SIGLEC5, PLG und CTD- 2353F22.1 ein höheres Krankheitsrisiko haben, als durch ein einfaches additives genetisches Modell zu erwarten wäre. Die festgestellten genetischen Interaktionen tragen damit zu einem besseren funktionalen Verständnis der hohen Heritabilität der PD bei und zeigen einen Weg auf, über den Patienten mit schwerer PD, die bislang nur symptomatisch behandelt werden, nach Krankheitsursachen stratifiziert werden können, so dass es in der Zukunft ggf. ermöglicht wird, Patienten ursachenbezogen zu behandeln. In diesem Zusammenhang ist auch der hergestellte funktionale Zusammenhang zwischen der durch Zigarettenrauch erhöhten Aktivität des Gens ST8SIA1 und dem von uns und anderen identifizierten Risikogen ABCA1 zu sehen. In der aktuellen Arbeit wurde der Effekt der genetischen Prädisposition in Bezug auf ST8SIA1, die das Risiko einer Parodontitis in Verbindung mit Zigarettenrauchen erhöht, mit einem Regulationsweg des angeborenen Immunsystems in Bezug gesetzt, der über Vermittlung von ABCA1 den Toll-Like-Rezeptor Signalweg dämpft. Hierdurch lässt sich ein Mechanismus erkennen, der die bei Rauchern oftmals beobachtbare abgeschwächte orale Entzündungsneigung bei gleichzeitiger Gewebezerstörung erklären kann. Im Projektverlauf zeigte sich, dass die CRISPR-Cas9 Technologie nicht ohne weiteres für gingivale Zellen verwendet werden kann. Diese Zellen zeigten nach in vitro Transfektion unter allen getesteten Bedingungen eine sehr hohe Letalität. So konnte das CRISPR-System auch nicht stabil in das Genom dieser Zellen integriert werden. Als methodische Alternative wurden synthetische, kurze antisense Oligonucleotide (Gapmers) getestet, die sich insbesondere für die funktionale Charakterisierung von lncRNAs anbieten. Gapmers reprimieren ebenfalls die Transkriptmengen in physiologischen Konzentrationen und lassen sich in gingivale Zellen effizient einbringen. Sie zeigten keinen negativen Einfluss auf die Zellviabilität. Zur CRISPR-dCas9 Genaktivierung stellen HeLa Zellen eine sinnvolle Alternative zu gingivalen Zellen dar, da sie sich effizient mit dem CRISPR-Cas9 System transfizieren lassen und keine zelltyp-spezifischen Artefakte im Vergleich mit gingivalen Fibroblasten festgestellt werden konnte.

Publications

• BACH1 Binding Links the Genetic Risk for Severe Periodontitis with ST8SIA1 Journal of Dental Research (2022) Jan;101(1):93-101
  Chopra A, Mueller R, Weiner J 3rd, Rosowski J, Dommisch H, Grohmann E, Schaefer AS
  
• Case-only design identifies interactions of genetic risk variants at SIGLEC5 and PLG with the lncRNA CTD- 2353F22.1 implying importance of periodontal wound healing for disease etiology Journal of Clinical Periodontology (2022)
  Mueller R, Freitag-Wolf S, Weiner J 3rd, Chopra A, Top T, Dommisch H, Schaefer AS
  
• Periodontitis risk variants at SIGLEC5 impair ERG and MAFB binding Journal of Dental Research (2022) May;101(5):551-558
  Mueller R, Chopra A, Dommisch H, Schaefer AS