Inferenz klonaler Dynamiken in der humanen Hämatopoese mittels quantitativer Bestimmung der Variation mitochondrialer DNA-Sequenzen

• Antragsteller: Dr. Leif Ludwig
• Fachliche Zuordnung: Hämatologie, Onkologie ; Allgemeine Genetik und funktionelle Genomforschung
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 438931857

Das hämatopoetische System stellt ein bewährtes Paradigma der Biologie dar, welches fundamentale Einsichten in die Mechanismen der Regeneration und Differenzierung sowie Deregulation von Stammzellen ermöglicht hat. Dennoch bleiben wesentliche Aspekte über die in vivo Populationsdynamiken von blutbildenden Stammzellen im Menschen, trotz maßgeblicher Entwicklungen in der Einzelzell-Genomik sowie der erhöhten Sensitivität funktionaler Experimente, unverstanden. Während natürliche somatische Mutationen die Messung von Verwandtschaftsverhältnissen einzelner Zellen erlauben, bleiben bisherige Ansätze durch den hohen technischen Anspruch und Kostenintensität limitiert. Somit stellen sich weiterhin grundlegende Fragen nach der Frequenz, Funktionalität, Langlebigkeit, Dynamiken und den zugrunde liegenden Regulationsmechanismen von hämatopoetischen Stammzellen in vivo. Letzthin haben wir neuartige konzeptionelle Ansätze basierend auf der Sequenzierung von mitochondrialer DNA (mtDNA) auf Einzelzellebene entwickelt, welche Rückschlüsse über die klonale Zusammensetzung komplexer Populationen und zeitgleich über die epigenetischen oder transkriptionellen Signaturen derselben Zellen erlauben. Auf diesem Konzept gründend, sieht der vorliegende Antrag zwei komplementäre Zielsetzungen vor. Im Fokus steht als erstes die Nutzung somatischer mtDNA Mutationen als natürliche klonale Marker von individuellen hämatopoetischen Stamm- und Vorläuferzellen (HSPCs) zur Erfassung ihrer klonalen Dynamiken in vivo. Insbesondere sollen diese anhand des Prozesses der hämatopoetischen Rekonstitution nach allogener Stammzelltransplantation zur kurativen Behandlung von Leukämiepatienten nachvollzogen werden. In diesem Kontext werden wir die klonalen Beiträge von HSPCs in den verschiedenen Phasen der Blutrekonstitution longitudinal erfassen und eruieren, inwiefern zelluläre Signaturen diese Aktivität und zelltypspezifische Differenzierung bestimmen. Zusätzlich wird im Rahmen dieser Studie die Detektion und epigenetische Analyse von ggf. verbleibenden oder neu auftretenden leukämischen Klonen auf Einzelzell-Ebene ermöglicht. Als zweites sollen die einhergehenden potentiellen funktionalen Effekte von somatischen mtDNA Mutationen eruiert werden, deren Akkumulation mit alterungsbedingter hämatopoetischer Dysfunktion assoziiert sind. Mittels Einzelzell-Genomik und zellbiologischer Ansätze werden wir den Zusammenhang zwischen Genotyp, epigenetischen Profilen und phänotypischen Defekten im Kontext der dysfunktionalen Hämatopoese untersuchen. In der Zusammenschau besteht das Ziel dieses Antrages darin, unser Verständnis über homöostatische und pathologische Prozesse der humanen Hämatopoese und den damit verbundenen Stammzell-Dynamiken grundlegend zu vertiefen. Langfristig wird dies nicht nur eine bessere Prädiktion und Steuerung von HSPC-Verhalten für die Grundlagenforschung katalysieren, sondern auch die Verbesserung zielgerichteter Interventionen wie von Zellersatztherapien bahnen.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen