Genetische Varianten des Adenylylzyklase kodierenden Gens ADCY2 bei neurologischen Entwicklungsstörungen

• Antragstellerin: Professorin Dr. Meliha Karsak
• Fachliche Zuordnung: Humangenetik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 538522774

Neuronale Entwicklungsstörungen (NDD) stellen eine sehr heterogene Gruppe von Erkrankungen dar, deren Ursache z. Zt. bei max. 40% der Kinder gefunden wird. Wir haben erstmals bei drei unverwandten NDD Patienten mit ungeklärter Ursache genetische de novo Veränderungen im Adenylylzyklase 2 (AC2) kodierenden Gen ADCY2 identifiziert und möchten nun in diesem Projekt untersuchen, ob ADCY2 ein neues monogenes NDD-Krankheitsgen ist. AC2 ist an der Biosynthese von cyclischem Adenosin-3´-5´-monophosphat (cAMP) beteiligt, wobei es über eine G-Protein Aktivierung die Signale von G-Protein gekoppelten Rezeptoren vermittelt. Die Kontrolle der intrazellulären cAMP Konzentration ist ein kritischer Faktor in der Signaltransduktion und kann bei Fehlfunktion dazu führen, dass die Zelle nicht angemessen auf äußere Faktoren reagiert. AC2 ist insbesondere im Nervensystem exprimiert, so dass es plausibel erscheint, dass eine Fehlfunktion des Proteins zu neuronalen Erkrankungen führt. In Vorarbeiten haben wir die drei verschiedenen de novo Missense-Varianten in vitro untersucht und gain-of-function Effekte nach direkter Aktivierung festgestellt. Im Rahmen dieses Projektes werden wir weitere über GeneMatcher identifizierte Varianten analysieren. Zusätzlich zur direkten Aktivierung werden wir die physiologischere indirekte AC2-Aktivierung durch einen GPCR-Liganden testen und die cAMP-Produktion in der Zelle mit einem Biosensor messen. Ergänzend werden wir eine ADCY2 Variante, die mit psychiatrischen Störungen assoziiert ist, funktionell untersuchen. Da die Regulation der AC2 Aktivität über small-molecules möglich ist, stellt das Enzym ein therapeutisch interessantes Target dar. Aus diesem Grund werden wir bekannte Adenylylzyklase Inhibitoren nutzen, um die erhöhten basalen cAMP Level in der Zelle zu verringern. Durch ein virtuelles Screening werden wir aus einer Library mit 12.500 Molekülen Substanzen auswählen und nach neuen AC2 Inhibitoren bzw. Aktivatoren experimentell suchen. Um die molekularen Effekte von AC2 Mutationen auf die neurale Entwicklung des Menschen in einem in vitro Modell zu analysieren, werden wir humane neurale Organoide mit entsprechend editiertem ADCY2 Gen verwenden. In diesen Zellen werden wir 1. den gain-of-function Effekt nach transienter Transfektion verifizieren, 2. Effekte der bekannten und neu identifizierten Inhibitoren untersuchen, 3. die morphologischen Strukturen und Reifestadien der Organoide charakterisieren, 4. die Transkriptome einzelner Zellpopulationen durch single cell RNA Sequenzierung in Organoiden verschiedener Entwicklungszeitpunkte bestimmen und quantitative Unterschiede der Zelltyp-Komposition analysieren. Unsere Hypothese ist, dass die ADCY2 Varianten für die Erkrankung ursächlich sind und zu Veränderungen in der neuronalen Entwicklung und der Funktion führen, die auf veränderte cAMP-Spiegel zurückzuführen sind. Somit stellt die Untersuchung mit Inhibitoren einen neuartigen therapeutischen und translationalen Ansatz dar.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Christian Kubisch