Kraniofaziale Genomik
Forschungskonzept
Unter „kraniofazialer Entwicklung“ fasst man alle während der frühen Embryonalentwicklung ablaufenden Prozesse zusammen, die zur Entstehung des Gesichts und des Schädels führen. Diese Prozesse sind zum einen evolutionär stark konserviert, zum anderen unterliegen sie auch einer gewissen Variabilität, die letztlich zur individuellen Gestalt des Gesichts führt. Genetische Faktoren sind zentral an Prozessen der kraniofazialen Entwicklung beteiligt und wurden in den letzten Jahren systematisch identifiziert – zum einen durch Untersuchungen von Gesichtsfehlbildungen, zum anderen durch Analysen von variablen Merkmalen der Gesichtsstrukturen in der Bevölkerung. Die molekularen Auswirkungen dieser genetischen Faktoren sind jedoch bisher nur in geringen Maße verstanden, was u.a. daran liegt, dass humanes biologisches Material aus dem entstehungsrelevanten Zeitpunkt nur sehr limitiert für Untersuchungen zur Verfügung steht.
In den letzten Jahren wurden durch die Zunahme an „omics“-Technologien eine Vielzahl von kausalen Mechanismen für diverse biologische Prozesse identifiziert. Diese Studien umfassten die Kombination von groß angelegten genetischen Studien in spezifischen Krankheitstypen mit umfangreichen funktionellen Datensätzen. In Bezug auf die kraniofaziale Entwicklung konnten wir in Zusammenarbeit mit der AG Mangold bereits eine Vielzahl vorher unbekannter genetischer Risikoregionen für die nicht-syndromale Lippen-Kiefer-Gaumenspalten (nsLKG) identifizieren. Von den derzeit bekannten mehr als 45 genetischen Risikoregionen liegt die Mehrzahl in nicht-kodierenden, intergenischen Bereiche. Das Ziel unserer Arbeitsgruppe ist es, die biologischen Prozesse der kraniofazialen Entwicklung und ihre Beeinflussung durch genetische Variation zu verstehen.
Zum einen sollen genetische Risikoregionen, die in kraniofazialen Phänotypen wie nsLKG eine Rolle spielen, durch Anwendung genetischer, bioinformatischer und funktioneller Methoden aufgearbeitet werden. In Zusammenarbeit mit externen Kooperationspartnern werden hierfür funktionelle Datensätze zu zB. Histonmodifikationen, Transkriptionsfaktor-Profilen und Expressionsanalysen in relevanten Geweben erzeugt. Durch die Anwendung neuester molekulargenetischer Methoden (z.B. molecular inversion probes, Exom-/Gesamtgenomsequenzierungen) werden systematisch Patienten- und Kontroll-Kohorten verschiedener Ethnizitäten sequenziert mit dem Ziel, hochpenetrante Mutationen in einzelnen Patienten zu identifizieren. Auf Kohort-Ebene werden burden-Analysen Hinweise auf signifikante Häufung seltener Varianten in Patienten, in funktionell relevanten Regionen oder verschiedenen funktionellen Pathways, liefern. Hierfür setzen wir neueste bioinformatische Pipelines und Methoden ein. Zur funktionellen Aufarbeitung der Befunde werden in vivo und in vitro Analysen durchgeführt, z.B. im Zebrafisch-Modell oder in humanen Neuralleistenzellen durchgeführt. Aufgrund der zunehmenden Verfügbarkeit von Daten aus Einzelzell-Sequenzierungen und anderen Datenebenen aus dem –omics-Bereich fokussiert sich unsere Arbeitsgruppe zunehmend auf die Integration von multimodalen Datensätzen.
Die Ergebnisse dieser Arbeiten werden zum einen neue Einblicke in die der kraniofazialen Entwicklung zugrundeliegenden und durch genetische Varianten vermittelte molekularen Mechanismen liefern. Sie tragen darüber hinaus zu einem besseren Verständnis der regulatorischen Architektur nicht-kodierender Elemente sowie deren Rolle in der embryonalen Entwicklung und in humanen Fehlbildungen bei, und kommen in kooperativen Projekten auch in anderen Arbeitsgruppen zum Einsatz.
Von Mai 2016 bis Januar 2023 wurde dieses Projekt von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Emmy-Noether-Nachwuchsgruppen Programms gefördert (siehe Pressemitteilung).
- Forschungsthemen
- Hereditäres Angioödem Typ III
- ACE-Hemmer/ Angiotensin-Rezeptor-Blocker induziertes Angioödem
- Brain Genomics
- Demenz
- Kraniofaziale Genomik
- Lippen-Kiefer-Gaumenspalten
- Ösophagusatresie
- Fehlbildungen von Lunge, Gastrointestinal- & Urogenitaltrakt
- Achalasie
- Host Genetics
- Androgenetische Alopezie
- Kreisrunder Haarausfall
- Monogene Alopezien
- Genomic Imaging
- Genomik von Verhalten und psychischen Störungen
- Erblicher Darmkrebs
- Magenkarzinom
- Barett-Ösophagus
- Lese- und Rechtschreibstörung
- Mastzellerkrankungen
- Pharmakogenomik
- Psychomotorische Entwicklungsstörungen
Unsere Projektleiter
Prof. Dr. rer. nat. Kerstin Ludwig
E-Mail: kerstin.ludwig@uni-bonn.de
Unsere Mitarbeiter
Dr. rer. nat. Ronja Hollstein
E-Mail: ronja.hollstein@uni-bonn.de
Katharina Ruff
E-Mail: katharina.ruff@uni-bonn.de
Laura Stüssel
E-Mail: s4lastue@uni-bonn.de
Hanna Katharina Zieger
E-Mail: hanna.zieger@uni-bonn.de
Pubilkationen und Pressemitteilungen
Analysis of candidate genes for cleft lip ± cleft palate using murine single-cell expression data.
Siewert A, Reiz B, Krug C, Heggemann J, Mangold E, Dickten H, and Ludwig KU.
Front Cell Dev Biol. 2023. doi: 10.3389/fcell.2023.1091666.
Prioritization of non-coding elements involved in non-syndromic cleft lip with/without cleft palate through genome-wide analysis of de novo mutations.
Zieger HK, Weinhold L, Schmidt A, Holtgrewe M, Juranek SA, Siewert A, Scheer AB, Thieme F, Mangold E, Ishorst N, Brand FU, Welzenbach J, Beule D, Paeschke K, Krawitz PM and Ludwig KU.
HGG Adv. 2022;4(1):100166. doi: 10.1016/j.xhgg.2022.100166.
Identification of de novo variants in nonsyndromic cleft lip with/without cleft palate patients with low polygenic risk scores.
Ishorst N, Henschel L, Thieme F, Drichel D, Sivalingam S, Mehrem SL, Fechtner AC, Fazaal J, Welzenbach J, Heimbach A, Maj C, Borisov O, Hausen J, Raff R, Hoischen A, Dixon M, Rada-Iglesias A, Bartusel M, Rojas-Martinez A, Aldhorae K, Braumann B, Kruse T, Kirschneck C, Spanier G, Reutter H, Nowak S, Gölz L, Knapp M, Buness A, Krawitz P, Nöthen MM, Nothnagel M, Becker T, Ludwig KU and Mangold E;
Mol Genet Genomic Med. 2022 Dec 5:e2109. doi: 10.1002/mgg3.2109.
Systematic assays and resources for the functional annotation of non-coding variants.
Kircher M & Ludwig KU
medizinische genetik 2022; 34(4): 275–286. doi.org/10.1515/medgen-2022-2161. Review
Allele-specific transcription factor binding in a cellular model of orofacial clefting.
Ruff KLM, Hollstein R, Fazaal J, Thieme F, Gehlen J, Mangold E, Knapp M, Welzenbach J, Ludwig KU.
Sci Rep, 2022. 12:1807. https://doi.org/10.1038/s41598-022-05876-7
MicroRNA-149, a candidate for non-syndromic cleft lip with/without cleft palate implicated in neural crest cell migration.
Stüssel LG*, Hollstein R*, Laugsch M, Hochfeld LM, Welzenbach J, Schröder J, Thieme F, Ishorst N, Romero RM, Weinhold L, Hess T, Gehlen J, Mostowska A, Heilmann-Heimbach S, Mangold E, Rada-Iglesias A, Knapp M, Schaaf CP, Ludwig KU.
Journal of Dental Research, 2021 Sep 16;220345211038203. Online ahead of print
Integrative approaches generate insights into the architecture of non-syndromic cleft lip with or without cleft palate.
Welzenbach J, Hammond NL, Nikolić M, Thieme F, Ishorst N, Leslie EJ, Weinberg SM, Beaty TH, Marazita ML, Mangold E, Knapp M, Cotney J, Rada-Iglesias A, Dixon MJ and Ludwig KU
HGG Advances, 2021. 2(3). June 08, 2021 DOI:https://doi.org/10.1016/j.xhgg.2021.100038
Extending the allelic spectrum at noncoding risk loci of orofacial clefting.
Thieme F, Henschel L, Hammond NL, Ishorst N, Hausen J, Adamson AD, Biedermann A, Bowes J, Zieger HK, Maj C, Kruse T, Buness A, Hoischen A, Gilissen C, Kreusch T, Jäger A, Gölz L, Braumann B, Aldhorae K, Rojas-Martinez A, Krawitz PM, Mangold E, Dixon MJ and Ludwig KU:
Hum Mutat. 2021 Aug;42(8):1066-1078. doi: 10.1002/humu.24219. Epub 2021 Jun 3.
Evaluating shared genetic influences on nonsyndromic cleft lip/palate and oropharyngeal neoplasms.
Howe LJ, Hemani G, Lesseur C, Gaborieau V, Ludwig KU, Mangold E, Brennan P, Ness AR, St Pourcain B, Davey Smith G, Lewis SJ:
Genet Epidemiol. 2020. doi: 10.1002/gepi.22343. Online ahead of print
Msx1 deficiency interacts with hypoxia and induces a morphogenetic regulation during lip development
Nakatomi M, Ludwig KU, Knapp M, Kist R, Lisgo S, Mangold E, Peters H
Development. 2020. 147(21):dev189175. doi: 10.1242/dev.189175.
Cleft lip/palate and educational attainment: cause, consequence, or correlation? A Mendelian randomization study.
Dardani C, Howe LJ, Stergiakouli E, Wren Y, Humphries K, Davies A, Ho K, Mangold E, Ludwig KU, Relton CL, Davey Smith G, Lewis SJ, Sandy J, Davies NM and Sharp GC:
Journal of Epidemiology. 2020. doi: 10.1093/ije/dyaa047.
Die Rolle seltener Varianten bei häufigen Krankheiten
medgen. 2019. 31:12. Invited Review [German].
p63 establishes epithelial enhancers at critical craniofacial development genes.
Deletions and loss-of-function variants in TP63 associated with orofacial clefting.
Eur J Hum Genet. 2019.
Evidence for DNA methylation mediating genetic liability to non-syndromic cleft lip/palate.
Epigenomics. 2019. 11(2):133-145.
Investigating the shared genetics of non-syndromic cleft lip/palate and facial morphology.
PLoS Genetics. 2018. 14(8):e1007501.
Nonsyndromic cleft palate: An association study at GWAS candidate loci in a multiethnic sample.
Birth Defects Research Part A. 2018. 110(10):871-882.
Birth Defects Research Part A. 2018. 110(4):336-341.
MRPL53, a New Candidate Gene for Orofacial Clefting, Identified Using an eQTL Approach.
Analysis of sequence data to identify potential risk variants for oral clefts in multiplex families.
Mostowska A, Gaczkowska A, Żukowski K, Ludwig KU, Hozyasz KK, Wójcicki P, Mangold E, Böhmer AC, Heilmann-Heimbach S, Knapp M, Zadurska M, Biedziak B, Budner M, Lasota A, Daktera-Micker A, Jagodziński PP.
Clin Genet. 2017 doi: 10.1111/cge.13141. [Epub ahead of print]
Candidate Genes for Nonsyndromic Cleft Palate Detected by Exome Sequencing.
Hoebel AK, Drichel D, van de Vorst M, Böhmer AC, Sivalingam S, Ishorst N, Klamt J, Gölz L, Alblas M, Maaser A, Keppler K, Zink AM, Dixon MJ, Dixon J, Hemprich A, Kruse T, Graf I, Dunsche A, Schmidt G, Daratsianos N, Nowak S, Aldhorae KA, Nöthen MM, Knapp M, Thiele H, Gilissen C, Reutter H, Hoischen A, Mangold E, Ludwig KU.
The role of noncoding genetic variation in isolated orofacial clefts.
Thieme F & Ludwig KU.
Yu Y, Zuo X, He M, Gao J, Fu Y, Qin C, Meng L, Wang W, Song Y, Cheng Y, Zhou F, Chen G, Zheng X, Wang X, Liang B, Zhu Z, Fu X, Sheng Y, Hao J, Liu Z, Yan H, Mangold E, Ruczinski I, Liu J, Marazita ML, Ludwig KU, Beaty TH, Zhang X, Sun L, Bian Z.
Ludwig KU, Böhmer AC, Bowes J, Nikolić M, Ishorst N, Wyatt N, Hammond NL, Gölz L, Thieme F, Barth S, Schuenke H, Klamt J, Spielmann M, Aldhorae K, Rojas-Martinez A, Nöthen MM, Rada-Iglesias A, Dixon MJ, Knapp M, Mangold E.
Hum Mol Genet. 2017 Jan 13. pii: ddx012. doi: 10.1093/hmg/ddx012. [Epub ahead of print]
Novel IRF6 Mutations Detected in Orofacial Cleft Patients by Targeted Massively Parallel Sequencing.
Khandelwal KD, Ishorst N, Zhou H, Ludwig KU, Venselaar H, Gilissen C, Thonissen M, van Rooij IA, Dreesen K, Steehouwer M, van de Vorst M, Bloemen M, van Beusekom E, Roosenboom J, Borstlap W, Admiraal R, Dormaar T, Schoenaers J, Vander Poorten V, Hens G, Verdonck A, Bergé S, Roeleveldt N, Vriend G, Devriendt K, Brunner HG, Mangold E, Hoischen A, van Bokhoven H, Carels CE.
J Dent Res. 2017: 96:179-185.
Novel mutations in LRP6 highlight the role of WNT signaling in tooth agenesis.
Ockeloen CW, Khandelwal KD, Dreesen K, Ludwig KU, Sullivan R, van Rooij IA, Thonissen M, Swinnen S, Phan M, Conte F, Ishorst N, Gilissen C, Roa Fuentes L, van de Vorst M, Henkes A, Steehouwer M, van Beusekom E, Bloemen M, Vankeirsbilck B, Bergé S, Hens G, Schoenaers J, Vander Poorten V, Roosenboom J, Verdonck A, Devriendt K, Roeleveldt N, Jhangiani SN, Vissers LE, Lupski JR, de Ligt J, Von den Hoff JW, Pfundt R, Brunner HG, Zhou H, Dixon J, Mangold E, van Bokhoven H, Dixon MJ, Kleefstra T, Hoischen A, Carels CE.
Genet Med. 2016: 18:1158-1162.
Klamt J, Hofmann A, Böhmer AC, Hoebel AK, Gölz L, Becker J, Zink AM, Draaken M, Hemprich A, Scheer M, Schmidt G, Martini M, Knapp M, Mangold E, Degenhardt F, Ludwig KU.
Birth Defects Res A Clin Mol Teratol. 2016: 106:767-72.
Ludwig KU, Ahmed ST, Böhmer AC, Sangani NB, Varghese S, Klamt J, Schuenke H, Gültepe P, Hofmann A, Rubini M, Aldhorae KA, Steegers-Theunissen RP, Rojas-Martinez A, Reiter R, Borck G, Knapp M, Nakatomi M, Graf D, Mangold E, Peters H. ,
PLoS Genetics 2016: 12(3):e1005914
Mangold E, Böhmer AC, Ishorst N, Hoebel A-K, Gültepe P, Schuenke H, Klamt J, Hofmann A, Gölz L, Raff R, Tessmann P, Nowak S, Reutter H, Hemprich A, Kreusch T, Kramer F-J, Braumann B, Reich R, Schmidt G, Jäger A, Reiter R, Brosch S, Stavusis J, Ishida M, Seselgyte R, Moore GE, Nöthen MN, Borck G, Aldhorae KA, Lace B, Stanier P, Knapp M, Ludwig KU
Am J Hum Gen 2016: 98:755-62
Genome-wide analysis of parent-of-origin effects in non-syndromic orofacial clefts.
Garg P*, Ludwig KU*, Böhmer AC, Rubini M, Steegers-Theunissen R, Mossey PA, Mangold E, Sharp AJ
Eur J Hum Genet 2014: 22:822-30
Ludwig KU*, Mangold E*, Herms S, Nowak S, Reutter H, Paul A, Becker J, Herberz R, AlChawa T, Nasser E, Böhmer AC, Mattheisen M, Alblas MA, Barth S, Kluck N, Lauster C, Braumann B, Reich RH, Hemprich A, Pötzsch S, Blaumeiser B, Daratsianos N, Kreusch T, Murray JC, Marazita ML, Ruczinski I, Scott AF, Beaty TH, Kramer F-J, Wienker TF, Steegers-Theunissen RP, Rubini M, Mossey PA, Hoffmann P, Lange C, Cichon S, Propping P, Knapp M*, Nöthen MM*
Nat Genet 2012: 44(9):968-71.
Breakthroughs in the Genetics of orofacial clefting.
Mangold E, Ludwig KU, Nöthen MM
Trends Mol Med 2011: 17(12):725-733. Review.
FAF1, a gene that is disrupted in cleft palate and has conserved function in zebrafish.
Ghassibe-Sabbagh M, Desmyter L, Langenberg T, Claes F, Boute O, Bayet B, Pellerin P, Hermans K, Backx L, Mansilla MA, Imoehl S, Nowak S, Ludwig KU, Baluardo C, Ferrian M, Mossey P, Nöthen M, Dewerchin M, François G, Revencu N, Vanwijck R, Hecht J, Mangold E, Murray J, Rubini M, Vermeesch JR, Poirel HA, Carmeliet P, Vikkula M
Am J Hum Genet 2011: 88(2):150-161.
Mangold E*, Ludwig KU*, Birnbaum S*, Baluardo C, Ferrian M, Herms S, Reutter H, Almeida de Assis N, Al Chawa T, Mattheisen M, Steffens M, Barth S, Kluck N, Paul A, Becker J, Lauster C, Schmidt G, Braumann B, Scheer M, Reich RH, Hemprich A, Pötzsch S, Blaumeiser B, Moebus S, Krawczak M, Schreiber S, Meitinger T, Wichmann E, Steegers-Theunissen RP, Kramer F-J, Cichon S, Propping P, Wienker TF, Knapp M, Rubini M, Mossey PA, Hoffmann P, Nöthen MM
Nat Genet 2010: 42(1):24–26.
Key susceptibility locus for nonsyndromic cleft lip with or without cleft palate on chromosome 8q24.
Birnbaum S*, Ludwig KU*, Reutter H, Herms S, Steffens M, Rubini M, Baluardo C, Ferrian M, Almeida de Assis N, Alblas MA, Barth S, Freudenberg J, Lauster C, Schmidt G, Scheer M, Braumann B, Bergé SJ, Reich RH, Schiefke F, Hemprich A, Pötzsch S, Steegers-Theunissen RP, Pötzsch B, Moebus S, Horsthemke B, Kramer F-J, Wienker TF, Mossey PA, Propping P, Cichon S, Hoffmann P, Knapp M, Nöthen MM*, Mangold E*
Nat Genet 2009: 41(4):473–477.