Genetische Varianten des mechanosensitiven Ionenkanals Piezo1 in roten Blutzellen - deren Rolle in der Physiologie und Evolution des Menschen

• Antragsteller: Professor Dr. Lars Kaestner
• Fachliche Zuordnung: Anatomie und Physiologie ; Evolution, Anthropologie ; Hämatologie, Onkologie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 522062907

Dieses Projekt zielt darauf ab, die möglichen Zusammenhänge zwischen erythroiden Piezo1-Polymorphismen und der Kanalaktivität, der Verformbarkeit, der Sauerstofftransportkapazität der Erythrozyten und schließlich der Gewebeoxygenierung zu ermitteln. So wird die Hypothese der möglichen Rolle von Piezo1-Varianten bei der Anpassung an die sich verändernden Umweltbedingungen und die natürliche Selektion beim modernen Menschen (mh) getestet. Wir wollen ein Genom-Editing von menschlichen induzierten pluripotenten Stammzellen (iPSC) durchführen, welche die mh_Piezo1-Sequenz (Kodierung 307G) tragen, und sie durch die archaische arc_ die archaische arc_Piezo1-Variante (Kodierung 307S) ersetzen. Die Ex-vivo-Amplifikation von Erythrozyten aus modifizierten iPSC (arc_RBC) wird es uns ermöglichen, die elektrophysiologischen arc_Piezo1-Kanaleigenschaften und ihre Auswirkungen auf die Erythropoese und schließlich die Funktion der Erythrozyten im Vergleich zu den nicht modifizierten Erythrozyten (mh_RBC) zu untersuchen. Darüber hinaus werden die Auswirkungen von Piezo1-Veränderungen auf die Eigenschaften der Erythrozyten, die Sauerstoffversorgung und die Oxygenierung des Gewebes in vivo in einem Mausmodell mit genetisch oder pharmakologisch veränderter Piezo1-Aktivität systemisch untersucht. Dazu werden wir ein 'Gain-of-Function' -Mausmodell verwenden. Um einen ersten Einblick in die Rolle der Piezo1-Varianten bei der Sauerstoffversorgung des menschlichen Gewebes zu erhalten, werden die Funktion des Piezo1-Kanals und die Eigenschaften der Erythrozyten sowie Messungen der Sauerstoffversorgung des Gewebes nach körperlicher Anstrengung in einer kleinen Kohorte von Patienten mit Hereditärer Xerozytose (HX) durchgeführt, die bekannte Piezo1 Mutationen tragen. Es ist zwar nicht unser Ziel, die Pathophysiologie von HX zu untersuchen, aber wir werden die Eigenschaften der pathologischen Piezo1-Mutationen und ihre Auswirkungen auf die Gewebeoxygenierung unter Stressbedingungen in vivo nutzen. Vergleichbare Experimente werden mit einer Gruppe von gesunden Kontrollpersonen durchgeführt. Schließlich ist die mathematische Modellierung potenzieller Umweltfaktoren und damit verbundener selektiver Prozesse ein praktikabler Ansatz, um zwischen demografischen und selektiven Effekten zu unterscheiden. In unserem Fall geht es darum, die demografische Landschaft und die Geschichte der Piezo1-Polymorphismen aufzuklären, die sich auf die Physiologie der Erythrozyten auswirken (Kanalfunktion, Kalzium-Signalübertragung, Zellfluss-Eigenschaften und Sauerstofftransportkapazität). Es wurden verschiedene Methoden für Schätzungen aus binären oder ordinalen genotypischen/phänotypischen Daten einer begrenzten Anzahl von Individuen vorgeschlagen, darunter auch Methoden der 'Approximate Bayesian Computation'. Diese werden wir verwenden, um unsere Hypothesen zu testen, indem wir die Auswirkungen möglicher Selektionsmechanismen auf der Grundlage unserer experimentellen Ergebnisse simulieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Niederlande, Österreich, Schweiz
• Partnerorganisation: Schweizerischer Nationalfonds (SNF)
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Privatdozentin Dr. Nicole Bender; Privatdozentin Dr. Isabel Dorn; Dr. Patrick Eppenberger; Professor Dr. Richard van Wijk