Im Rahmen des Projekts exposure expression quantitive trait locus (e2QTL) beschäftigen wir uns mit der Identifizierung von Genvarianten, die die Genexpression regulieren. Im Gegensatz zu herkömmlichen eQTL-Studien wurden die Zellen, die wir bei den unterschiedlichen Projekten untersuchen, zuvor mit äußeren Einflussfaktoren stimuliert. Die Forschungsergebnisse werden neue Einblicke in die Pathophysiologie vieler Erkrankungen zulassen. Zahlreiche Gen-regulatorische Varianten werden nämlich erst nach Stimulation mit äußeren Einflussfaktoren aktiv und disponieren dadurch zu Krankheiten.

Forschungskonzept

Moderne Technologien haben die integrative Betrachtung des Genoms (DNA) und des Transkriptoms (mRNA) zugelassen. Hierdurch wurden expression quantitative trait locus- (eQTL-) Analysen möglich, bei denen die Ausprägung von genetischen Varianten mit der Expressionsstärke von Transkripten korreliert wird. Hierdurch können Genvarianten identifiziert werden, die die Genexpression regulieren. Sie bezeichnet man als eQTL (Abbildung 1). Mittlerweile sind eQTL-Analysen auch Genom- und Transkriptom-weit möglich, wodurch systematisch Einblicke in Gen-regulatorische Vorgänge gewonnen werden können.

Abbildung 1: Beispielhaft dargestellt ist die Expressionsstärke des Gens LRAP in Abhängigkeit zur Allel- oder Genotypausprägung von zwei genetischen Varianten (rs4869311 und rs1230381). Auf der X-Achse sind die Genotypen der jeweiligen Variante aufgetragen. Die Y-Achse zeigt die Expressionsstärke von LRAP. Jeder Punkt entspricht einer Person, deren LRAP-Expressionsstärke nach Zugehörigkeit zur Genotypgruppe aufgetragen ist. Die Pfeile markieren die Lokalisation der Varianten in LRAP. Man sieht, dass LRAP bei Personen stärker exprimiert wird, die Allel A bei rs4869311 und Allel G bei rs1230381 tragen (entnommen aus Morley M et al (2004) Nature 430:743-747).

Ein moderner Ansatz mit großem wissenschaftlichem Potential sind eQTL-Studien an Zellen, die zuvor mit äußeren Einflussfaktoren stimuliert wurden. Viele eQTLs werden nämlich erst aktiv, wenn die Zelle in einem Zustand versetzt wurde, der sich vom Ruhe- bzw. Basiszustand unterscheidet (Abbildung 2). Wir haben eQTLs, die ausschließlich unter exogener Stimulation aktiv werden, exposure eQTLs oder e²QTLs genannt. e²QTL-Studien ermöglichen die Identifizierung von regulatorischen Genvarianten im Kontext vieler zellulärer Vorgänge, die Folge einer exogenen Stimulation sind. Durch den Ansatz können Einblicke in die Pathophysiologie zahlreicher Krankheiten gewonnen werden, sofern sich die zellulären Vorgänge während des Krankheitsgeschehens in vivo und nach Stimulation in vitro ähnlich sind (z. B. nach bakterieller- oder viraler Infektion, s. Abbildung 2). Zudem können zuvor identifizierte Risikovarianten für Krankheiten gezielt darauf getestet werden, ob sie e²QTLs für bestimmte Gene im Kontext eines exogenen Einflussfaktors darstellen.

Abbildung 2: Beispielhaft dargestellt ist die Expressionsstärke eines Gens in Abhängigkeit des Allels einer Genvariante. Die Expressionsstärke entspricht dabei der Transkriptmenge, die grün dargestellt ist. Links befindet sich die Zelle im Ruhezustand. Es zeigen sich keine allel-spezifischen Expressionsunterschiede, die Genvariante ist regulatorisch inaktiv. Rechts wird die gleiche Zelle stimuliert, wodurch viele intrazelluläre Vorgänge ausgelöst werden (nicht dargestellt). Erst in diesem Kontext entfaltet die Genvariante ihre Funktion und wird regulatorisch aktiv. Unter Stimulation produzieren Träger von Allel T wesentlich mehr Transkripte als Träger von Allel G. Der äußere Einflussfaktor könnte zum Beispiel bakteriell, viral, Alkohol oder Nikotin sein (s. Abbildung).

Im Rahmen von e²QTL projects führen wir gegenwärtig unterschiedliche eQTL-Studien unter exogenen Einflussfaktoren durch. Nachfolgend sind einige Projekte, Kooperationspartner und wissenschaftliche Fragestellungen aufgeführt.

•  e²QTL-Studie zur Aufklärung der angeborenen Immunität. Kooperationspartner: Herr Prof. Veit Hornung (Institut für Klinische Chemie und Klinische Pharmakologie, Universität Bonn).

•  e²QTL-Studie zur Aufklärung metabolischer Krankheiten. Kooperationspartner: Herr Prof. Alexander Pfeifer (Institut für Pharmakologie und Toxikologie, Universität Bonn), Herr Prof. Jörg C. Kalff, Herr Dr. Nils Konieczny (Klinik und Poliklinik für Allgemein-, Viszeral-, Thorax- und Gefäßchirurgie, Universität Bonn).

• e²QTL-Studie zur Aufklärung artherosklerotischer Krankheiten. Kooperationspartner: Herr Priv.-Doz. Christian Gleißner, Herr Dr. Christian Erbel (Innere Medizin III (Kardiologie), Universität Heidelberg).

• e²QTL-Studie zur Aufklärung der Sepsis. Kooperationspartner: Herr Prof. Oliver Kurzai (Zentrum für Innovationskompetenz (ZIK) Septomics, Universität Jena).

•  e²QTL-Studie zur Aufklärung von Wurmerkrankungen. Kooperationspartner: Herr Prof. Achim Hörauf, Herr Dr. Marc Hübner (Institut für Medizinische Mikrobiologie, Immunologie und Parasitologie (IMMIP), Universität Bonn).

• e²QTL-Studie zur Aufklärung des Muskelmetabolismus. Kooperationspartner: Herr Priv.-Doz. Sascha Cravius, Herr Dr. Andreas Strauss (Klinik und Poliklinik für Orthopädie und Unfallchirurgie, Universität Bonn).

Beteiligte Mitarbeiter

PD. Dr. med. Johannes SchumacherFunktion: Projektleiter
Tel: 0228 – 287 – 51028
Email: johannes.schumacher@uni-bonn.de

Dr. rer. nat. Benedikt Bürfent
Funktion: Postdoctoral researcher
Tel.: 0228 – 6885 – 412
Email: buerfent@uni-bonn.de

PD Dr. med. Lina Gölz
Funktion: Nachwuchsgruppenleiterin
Tel: 0228 – 6885 – 420
Email: lgoelz@uni-bonn.de

Dipl.-Biol. Timo Heß
Funktion: Wissenschaftlicher Mitarbeiter
Tel: 0228 – 6885 – 424
Email: timo.hess@uni-bonn.de

Publikationen

A systematic eQTL study of cis-trans epistasis in 210 HapMap individuals.

Becker J, Wendland JR, Haenisch B, Nöthen MM, Schumacher J.

Eur J Hum Genet 2011; 20: 97-101.

Characterizing the genetic basis of innate immune response in TLR4-activated human monocytes.

Kim S, Becker J, Bechheim M, Kaiser V, Noursadeghi M, Fricker N, Beier E, Klaschik S, Boor P, Hess T, Hofmann A, Holdenrieder S, Wendland JR, Fröhlich H, Hartmann G, Nöthen MM, Müller-Myhsok B, Pütz B, Hornung V, Schumacher J. Characterizing the genetic basis of innate immune response in TLR4-activated human monocytes.

Nat Commun 2014; 5: 5236.

Genome-wide transcriptome induced by Porphyromonas gingivalis supports the notion of host-derived periodontal destruction and its association with systemic diseases.

Gölz L, Buerfent BC, Hofmann A, Hübner MP, Rühl H, Fricker N, Schmidt D, Johannes O, Jepsen S, Deschner J, Hoerauf A, Nöthen MM, Schumacher J, Jäger A. Characterizing the genetic basis of innate immune response in TLR4-activated human monocytes.

Innate Immun 2016; 22: 72-84.

Genome-wide transcriptome induced by nickel in human monocytes.

Gölz L, Buerfent BC, Hofmann A, Rühl H, Fricker N, Stamminger W, Oldenburg J, Deschner J, Hoerauf A, Nöthen MM, Schumacher J, Hübner MP, Jäger A.

Acta Biomater. 2016 Oct 1;43:369-82. doi: 10.1016/j.actbio.2016.07.047.