Algorithmen für die Inferenz haplotypspezifischer Chromatinkontaktpunkte in Krebs mittels Genome Architecture Mapping

• Antragsteller: Professor Dr. Roland Schwarz
• Fachliche Zuordnung: Allgemeine Genetik und funktionelle Genomforschung ; Bioinformatik und Theoretische Biologie ; Zellbiologie
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 422841138

DNA und Proteine bilden zusammen Chromatin, das höchst strukturiert im Zellkern verpackt ist. Diese Struktur spielt eine wichtige Rolle bei der Gewebsentwicklung und bei der Aufrechterhaltung der Gewebeintegrität und wird häufig bei Krebs und anderen Krankheiten gestört. Trotz der Bedeutung von Chromatinstruktur ist es schwierig in Krebs Veränderungen davon festzustellen. Krebsgenome sind hochgradig instabil und evolvieren im Krankheitsverlauf, wobei sie ihre Chromosomen neu anordnen und in der Kopienanzahl verändern. Diese Kopienzahlveränderungen erschweren die Analyse von Chromatinstruktur, und um das Zusammenspiel beider zu verstehen sind sowohl hochauflösende Kopienzahldaten als auch hochauflösende Chromatinkonformationsdaten erforderlich. Da gesunde Zellen außerdem zwei elterliche Kopien jedes Chromosoms (zwei Haplotypen) enthalten, wäre es sehr vorteilhaft, diese Haplotypen bei der Analyse der Kopienzahl und der Chromatinstruktur unterscheiden zu können.Genome Architecture Mapping (GAM) ist eine neue experimentelle Methode zur Bestimmung von Chromatinstruktur auf der Grundlage von Kryoschnitten und Sequenzierung von Zellkernen. Wir konnten vor kurzem zeigen, dass in GAM während des Schneidevorgangs lokal meistens nur einer der beiden elterlichen Haplotypen erfasst wird. Dies ermöglichte es uns, einen Algorithmus zu entwickeln, um genetische Varianten ihrem ursprünglichen elterlichen Haplotyp zuzuordnen, und haplotyp-spezifische Chromatinkontaktkarten zu erstellen, allerdings nur in Genomen mit einer ausreichend großen Anzahl von Varianten, wie z. B. dem Mausgenom. Unabhängig davon haben wir in Krebs anhand von Sequenzierdaten Algorithmen entwickelt um haplotypspezifische Kopienzahlprofile mit sehr hoher Genauigkeit zu bestimmen.Um Chromatinstruktur und Kopienzahlvarianten bei Krebs auf haplotypspezifische Weise ermitteln zu können, schlagen wir mehrere algorithmische Teilprojekte vor. Wir wollen zunächst unseren Algorithmus GAMIBHEAR erweitern, um auf menschliche Sequenzierungsdaten mit geringeren Variantendichten anwendbar zu sein. Mithilfe einer „Co-phasing“-Strategie werden wir Sequenzier-Reads, die nicht mit heterozygoten Varianten überlappen, ihrem elterlichen Ursprungshaplotyp zuordnen. Dies wird es uns ermöglichen, hochauflösende haplotyp-spezifische Chromatinkontaktkarten beim Menschen zu erstellen. Im nächsten Schritt werden diese Information und unsere vorherige Erfahrung im Umgang mit Kopienzahlveränderungen nutzen um einen neuartigen Algorithmus zur Bestimmung haplotypspezifischer Kopienzahländerungen in GAM-Daten zu entwickeln. Schlussendlich wird dieser Algorithmus auch auf kopienzahlneutrale Strukturvarianten wie balancierte Translokationen und Inversionen erweitert werden. In der Summe werden die entwickelten Algorithmen und Werkzeuge letztendlich die routinemäßige Anwendung von GAM auf klinische Krebsproben ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2202: 3-D-Genomarchitektur in Entwicklung und Krankheit