Junk-DNA” trifft Entwicklungsbiologie: Untersuchung des Einflusses von HERV-K(HML2) auf die kortikale neuronale Differenzierung

• Antragstellerin: Dr. Michelle Vincendeau
• Fachliche Zuordnung: Entwicklungsneurobiologie ; Entwicklungsbiologie ; Zellbiologie
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 496872373

Eine ständige Herausforderung besteht darin, zu verstehen, wie Genomelemente biologische Prozesse und Krankheiten beeinflussen. Die Funktionen großer Teile des menschlichen Genoms, einschließlich der humanen endogenen retroviralen (HERV) Elemente, sind jedoch nach wie vor schwer zu verstehen. Wichtig ist, dass HERVs ~500.000 "lange terminale Repeats" (LTRs) auf allen Chromosomen umfassen, die die Gentranskription steuern können. Es hat sich gezeigt, dass HERVs in menschlichen neuralen Vorläuferzellen (hNPCs) durch epigenetische Regulatoren wie KAP1 zum Schweigen gebracht werden. Etwa 23 000 genomische Regionen werden von KAP1 in hNPCs mitbesetzt, von denen sich über 85 % in retrotransponierbaren Elementen einschließlich HERVs befinden. Diese Studien deuten auf eine wichtige Rolle bestimmter HERV-Sequenzen bei der neuronalen Entwicklung hin. Es fehlen jedoch gründliche Analysen spezifischer HERV-Gruppen, um ihren funktionellen Beitrag zur neuronalen Entwicklung und zur Gehirnentwicklung zu untermauern.Wir haben die Transkriptionsebenen mehrerer LTRs von HERV-K(HML-2) durch CRISPR-Aktivierung (CRISPRa) und CRISPR-Interferenz (CRISPRi) moduliert, um ihre physiologischen Auswirkungen auf die neuronale Entwicklung zu untersuchen. Wir konnten zum ersten Mal zeigen, dass eine Erhöhung der HERV-K(HML-2)-Transkription einen negativen Einfluss auf die Entwicklung, die Funktionalität und das Wachstum von kortikalen Neuronen, nicht aber von dopaminergen Neuronen hat. Folglich führt dies zu weniger organisierten Schichtbildungen in Vorderhirn-Organoiden. Im Gegensatz dazu hatte die transkriptionelle Unterdrückung von HERV-K(HML-2) keine Auswirkungen auf die kortikale Differenzierung. Darüber hinaus beeinflusst die transkriptionelle Aktivierung von HERV-K(HML-2) die Expression einer Gruppe spezifischer zellulärer Gene, die an der Neurodegeneration beteiligt sind. Aus diesen Daten schließen wir, dass HERV-K(HML-2) eine entscheidende Rolle bei der Differenzierung kortikaler Neuronen spielt.Eine wichtige Frage ist, wie HERV-K(HML-2) LTRs benachbarte Gene beeinflussen, die zur kortikalen neuronalen Entwicklung beitragen. Daher werden wir in diesem Antrag die folgenden zwei kritischen Forschungsaspekte behandeln: (1) Identifizierung aktivierter HERV-K(HML-2)-Loci und ihrer potenziellen Rolle als Promotor- oder Enhancer-Elemente zur Aktivierung von Wirtsgenen oder Gennetzwerken während der kortikalen neuronalen Differenzierung mittels ChIP-seq und anschließender individueller LTR-Knockout-Studien; (2) Untersuchung, ob ein spezifischer Knockout der identifizierten HERV-K(HML-2)-regulierten Wirtsgene den HERV-K(HML-2)-vermittelten Phänotyp in HERV-K(HML-2)-aktivierten kortikalen Neuronen wiederherstellen kann. Das Verständnis der grundlegenden Prinzipien, wie HERV-K(HML-2) die kortikale Neuronenentwicklung beeinflusst, wird bahnbrechend sein, um zu verstehen, wie HERVs aktiv zur Bildung des menschlichen Gehirns beitragen können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen