AG Dr. Hilger

Mit Hilfe von molekulargenetischen Untersuchungen wollen wir den ursächlichen genetischen Faktoren der oben genannten seltenen Krankheiten auf den Grund gehen. Dabei gehen wir auf die Suche nach sowohl hoch penetranten (monogen vererbten) Varianten, die mit einem hohen Krankheitsrisiko verbunden sind und sich stark auf die Krankheitsentwicklung auswirken, als auch nach Varianten mit geringer Penetranz, die lediglich für die Fehlbildung disponieren (multifaktoriell bedingte Erkrankungen).  Für die Detektion dieser Varianten unterschiedlicher Penetranz verwenden wir unterschiedliche Methoden. Für einen Großteil der von uns beforschten Fehlbildungen stehen uns außerdem die weltweit größten Patientenkollektive zur Verfügung.

Identifizierung hochpenetranter Varianten

Zur Identifizierung hochpenetranter Varianten verwenden wir daher zum einen hochauflösende SNP-Arrays mit dem Ziel ursächliche Kopienzahlveränderungen (Verlust oder Zugewinn an genetischem Material) zu identifizieren, sowie das sog. „Next Generation Sequencing (NGS)“ um kleinere Varianten, z.B. Punktmutationen zu identifizieren. Kopienzahlvarianten (CNVs) können dazu beitragen, neue Kandidatengene für seltene Krankheiten zu identifizieren, indem die DNA von Personen mit einer bestimmten Krankheit mit der DNA nicht betroffener Personen verglichen wird. CNVs können zu einem Gewinn oder Verlust von einer oder mehreren Kopien eines bestimmten Gens oder Chromosomenabschnitts führen. Diese Veränderungen der Kopienzahl können sich auf die Genexpression und -funktion auswirken und möglicherweise zur Entwicklung einer Krankheit führen. Durch den Vergleich der CNVs von betroffenen Individuen mit CNVs von Individuen aus einer gesunden Kontrollkohorte können spezifische CNVs identifiziert werden, die bei Individuen mit der Krankheit häufiger vorkommen. Von diesen CNVs überlagerte Gene können dann als potenzielle Kandidatengene für die Krankheit in Betracht gezogen und weiter untersucht werden. Auch das Next Generation Sequencing (NGS) wird bei der Suche nach Varianten mit hoher Penetranz eingesetzt. Hierbei wird das gesamte Genom eines Patienten sequenziert und mit einem Referenzgenom verglichen. Mit dieser Methode kann nach verschiedenen Arten genetischer Variation gesucht werden, wie z.B. Einzelnukleotid-Polymorphismen (SNPs), Insertionen, Deletionen, Kopienzahlvarianten (CNVs) oder Strukturvarianten (SVs). Sobald Varianten mittels NGS oder CNV-Analysen identifiziert wurden, validieren wir diese mit Hilfe zusätzlicher Methoden (z.B. PCR-basierten Techniken). In diesem Validierungsprozess bestätigen wir das Vorhandensein der Varianten und können nachfolgend ihre Auswirkungen auf die Krankheitsentwicklung bewerten.

Identifizierung genetischer Varianten mit geringer Penetranz

Zur Identifizierung disponierender genetischer Varianten mit geringer Penetranz führen wir genomweite Assoziationsuntersuchungen (GWAS) an umfangreichen Patientenkollektiven durch.  Die GWAS, ist eine Methode, die in der Genetik eingesetzt wird, um Zusammenhänge zwischen genetischen Variationen in Single Nucleotide Polymorphisms (SNPs) und Merkmalen oder Krankheiten zu ermitteln. Dabei werden große Mengen genetischer Daten von vielen Personen analysiert, um SNPs zu identifizieren, die bei Personen mit einem bestimmten Merkmal oder einer bestimmten Krankheit häufiger auftreten als bei Personen ohne dieses Merkmal. Der große Stichprobenumfang bei GWAS trägt dazu bei, schwache Assoziationen zwischen den SNPs und dem Merkmal oder der Krankheit aufzudecken, die in kleineren Studien möglicherweise nicht entdeckt werden würden.

Sobald ein potenzielles krankheitsverursachendes Gen identifiziert und validiert wurde, können weitere Versuche durchgeführt werden, um die spezifische Rolle dieses Gens bei der Entstehung der Krankheit zu untersuchen. Dazu nutzen wir momentan vor allem das Zebrafischmodell. Das Zebrafischmodell hat in der Genetikforschung zunehmend an Bedeutung gewonnen. Da es sich bei angeborenen Fehlbildungen meist um komplexe Anlagestörungen handelt und die Komplexität der Entwicklung von Fehlbildungen ganzer Organsysteme nicht in einer einfachen Zellkultur abgebildet werden kann, bietet sich der Zebrafisch als Modellorganismus für Untersuchungen der identifizierten Kandidatengene an. Die Verwendung von Zebrafischmodellen hat gegenüber herkömmlichen Tiermodellen (wie zum Beispiel Mausmodellen) in der Genforschung mehrere Vorteile. Zum einen entwickeln sich Zebrafischembryonen nach der Laichablage außerhalb des Mutterorganismus, was eine nicht invasive Beobachtung sämtlicher Entwicklungsvorgänge ermöglicht. Die Transparenz von Zebrafischembryonen lässt außerdem eine Echtzeit-Visualisierung der Genexpression und der Organentwicklung zu, was ein detaillierteres Verständnis der Rolle spezifischer Gene in der Entwicklung ermöglicht. Zudem haben Zebrafische eine hohe Reproduktionsrate, so dass es möglich ist, groß angelegte genetische Untersuchungen durchzuführen, um zusätzliche krankheitsverursachende Gene zu identifizieren. Dies ist bei Mausmodellen nicht möglich, da die Anzahl der Nachkommen begrenzt ist und die Zucht länger dauert. Außerdem haben Zebrafische eine kurze Generationszeit, so dass die Forscher in relativ kurzer Zeit mehrere Generationen von Kreuzungen durchführen können. Dies ermöglicht die schnelle Identifizierung neuer krankheitsverursachender Mutationen und die Untersuchung ihrer Auswirkungen auf die Genexpression und Organentwicklung.

Unsere Forschungsarbeiten tragen damit zu einem besseren Verständnis der biologischen Mechanismen normaler und gestörter embryonaler Entwicklung der menschlichen Organsysteme bei. Die Identifizierung hochpenetranter ursächlicher Varianten eröffnet zudem neue diagnostische Möglichkeiten und erlaubt eine genaue Einschätzung des Wiederholungsrisikos für die betroffenen Familien.