Genomweite Identifizierung von genetischen Interaktionen in humanen Zellen mittels CRISPR/Cas9

• Antragsteller: Dr. Maximilian Billmann
• Fachliche Zuordnung: Allgemeine Genetik und funktionelle Genomforschung ; Biochemie ; Bioinformatik und Theoretische Biologie ; Zellbiologie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 398518031

Das humane Genom ist seit fast zwei Jahrzehnten vollständig sequenziert und stellt somit eine Referenz für genetische Elemente zur Verfügung. Die Verbindung zwischen Genotyp und Phänotyp ist im Fokus von Systembiologie und der genombasierten Medizin. Dennoch sind wir weit davon entfernt, Krankheitszustände von der genomische Sequenz vorherzusagen. Netzwerke genetischer Interaktionen in Modellorganismen haben dieses Problem adressiert und dargestellt, wie Kombinationen genomischer Varianten Phänotypen beeinflussen. Während technische Herausforderungen ähnliche Herangehensweisen in humanen Zellen verhindert haben, wird dies nun von der genzerschneidenden CRISPR/Cas9 Technologie ermöglicht. Hier stellen wir unser Vorhaben dar, genetische Interaktionen genomweit mittels CRISPR/Cas9 in humanen HAP1 Zellen zu messen. Während die experimentellen Techniken dafür etabliert sind, müssen Herausforderungen in der Datenverarbeitung bewältigt werden, um das volle Potential der Daten auszuschöpfen. Basierend auf den 53 bislang durchgeführten genomweiten CRISPR/Cas9 Screens schlage ich die Entwicklung neuer computergestützter Methoden zur Quantifizierung genetischer Interaktionen vor. Zudem werde ich Algorithmen entwerfen, um unser experimentelles Vorhaben so zu optimieren, dass wir die informationsreichsten ~3,5 Millionen Genpaare (~200 genetische Hintergründe) testen, und anschließend eine komprimierte Liste von Genen, die die meiste Information abdecken, zu definieren. Zuletzt werde ich Methoden entwickeln, die die Struktur in den genetischen Interaktionsdaten erkennen und diese Muster mit anderen öffentlich verfügbaren Daten wie große Protein-Protein Interaktionsdatensätze vergleichen, um die globalen Organisationsprinzipien humaner Genfunktion interpretieren zu können. Zusammenfassend werden wir CRISPR/Cas9-basierte Screens und eine informationsbasierte Auswahl genetischer Hintergründe durchführen, um das erste genomweite Referenznetzwerk genetischer Interaktionen in einer humanen Zelle zu erstellen. Diese Arbeit wird uns ein Netzwerk funktioneller Abhängigkeiten zwischen Genen liefern, die die Erforschung der humanen Zellbiologie sowie des Zusammenhangs von Genvarianten und Krankheitszuständen vorantreiben wird.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Chad Myers, Ph.D.