Mitochondriale Booster in human Zellmodellen genetischer Mitochondriopathien

• Antragsteller: Dr. Hans Zempel
• Fachliche Zuordnung: Humangenetik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 556027894

POLG-Spektrum-Erkrankungen (POLG-SDs), die u.a. häufig schon im Säuglings-/Kindesalter zu Multiorganversagen und vorzeitigem Tod führen, sind bekannte genetische Erkrankungen/Mitochondriopathien. Polymerase-γ (Polγ), kodiert durch das Gen POLG, repliziert mitochondriale DNA (mtDNA). Mitochondriale Biosynthese (MB) ist der Prozess der mitochondrialen Vermehrung, der auch zur Replikation von mtDNA führt. MB kann chemisch und genetisch stimuliert werden. Bei den meisten verfügt Polγ über eine signifikante Restfunktion. Die Krankheitsmechanismen von POLG-SDs sind nicht ausreichend erforscht, es fehlen therapeutische Strategien und Funktionstests für POLG/unklare genetische Varianten. Es gibt keine wirksame Behandlung für POLG-SDs. Der mtDNA-Verlust bei den meisten POLG-SDs erfolgt graduell und zumeist über einen Zeitraum von mehreren Monaten bis Jahren. Wir nehmen daher an, dass bei den meisten Formen von POLG-SDs die Stimulation von MB eine ausreichende mtDNA-Synthese auslösen kann, um dem krankheitsassoziierten mtDNA-Verlust entgegenzuwirken. Unser Ziel ist es, menschliche Zelllinien zu etablieren, zu charakterisieren, und die Wirkung von pharmakologischen und genetischen Stimulation der MB in menschlichen primären Fibroblasten und iPSC-abgeleiteten Neuronen zu testen. Wir haben mehrere Fibroblastenlinien von POLG-SD-Patienten etabliert und charakterisiert, und zeigen hier, dass diese Zellen eine mtDNA-Reduktion und einen Verlust der mitochondrialen Masse aufweisen. Wir werden eine Zellstudie etablieren, für die Fibroblasten (gewonnen über Hautbiopsien von POLG-SD Patienten) hinsichtlich mtDNA-Menge, mitochondrialer Masse, Verteilung und Funktion sowie allgemeiner Zellparameter charakterisieren. Ausgewählte Fibroblastenlinien werden wir zur neuronalen Differenzierung in iPSCs umprogrammieren. Zusätzlich werden wir iPSCs herstellen, die POLG-SDs nachahmen, und zwar über i) Knockin (KI; CRISPR/Prime-Editing-basiert oder kommerziell) der am weitesten verbreitete A467T-Mutation, sowie ii) Lentivirus-basiertem shRNA-vermitteltem Knockdown von POLG. Die Re-Expression menschlicher krankheitsassoziierter Polγ wird Aufschluss über die zelluläre Wirkung und Pathomechanismen verschiedener krankheitsassoziierter Mutationen/genetischer Varianten geben. Als therapeutischen Ansatz werden wir die Polγ-Aktivität genetisch durch die Expression von u.a. den MB-Regulatoren TFAM und PPARGC1A, sowie pharmakologisch mit etablierten MB-Booster (z.B. AICAR, Fluoxetin, PDE-Hemmer, Formoterol) erhöhen, insb. in von Patienten gewonnen Zellen. Wir werden Vorteile für die Masse und Funktion der Mitochondrien, die Zellgesundheit und die Auswirkungen auf die neuronale Funktion charakterisieren. Die Etablierung menschlicher POLG-SD-Modelle und die Stimulierung von MB könnten eine translatierbare therapeutische Strategie für POLG-SDs und verwandte menschliche genetische Erkrankungen/Mitochondriopathien darstellen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen