Die Suche nach der Signatur und den Ursachen von Muskeldystrophien, die mit einer Dysfunktion Kernhülle assoziiert sind, mit Hilfe von Einzelzell-Multiomik

• Antragsteller: Dr. Michael Robson; Professor Dr. Werner Stenzel
• Fachliche Zuordnung: Humangenetik ; Molekulare und zelluläre Neurologie und Neuropathologie ; Zellbiologie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 400728090

Mutationen der Proteine der Kernhülle können unterschiedlichste Krankheiten verursachen. Diese reichen von der Muskeldystrophie bis zur Progerie, jedoch sind die zugrunde liegenden Pathomechanismen ungeklärt. Viele dieser Krankheits-assoziierten Proteine binden das Chromatin mechanisch an die Kernhülle in sogenannten "Lamina-assoziierten Domänen" (LADs), die das Zelltyp-spezifische gene-silencing unterstützen. Daher vermutet man seit langem, dass Krankheiten, die mit der Kernhülle in Verbindung stehen, im Wesentlichen auf eine falsche Genexpression zurückzuführen sind, die durch eine gestörte 3D-Organisation des Genoms verursacht wird. Da es jedoch nicht möglich war, die LADs zu kartieren oder ihre Störung direkt mit einer veränderten Genregulation in einzelnen Zellen und erkrankten Geweben in Verbindung zu bringen, konnte diese Hypothese bisher nicht untersucht werden. Hier werden wir uns dieser Frage widmen, indem wir zwei physiologische Modelle der Emery-Dreifuss Muskeldystrophie (EDMD) in aus iPSC-abgeleiteten neuromuskulären Organoiden erzeugen. Diese Organoide werden wir mit einer neuen in vivo Methode untersuchen, welche die gleichzeitige Quantifizierung von Protein-DNA-Kontakten in Einzelzellen durch die Kombination von Einzelzell-DNA-Adenin-Methyltransferase-Identifizierung (DamID) mit mRNA-Sequenzierung (scDam&T in vivo) ermöglicht. Mit diesem Multi-Omics-Ansatz werden wir gleichzeitig die LAD- und die Transkriptions-Dynamik in einzelnen Zellen eines beliebig komplexen Gewebes kartieren können. Durch die Kombination von scDam&T und Erstellung von Einzelzell-Chromatin-Accessibility-Profilen (scATAC&T) werden wir die molekularen Ereignisse, die während der normalen neuromuskulären Entwicklung Entscheidungen über den zukünftigen Zellstatus treffen, umfassend charakterisieren. Anschließend werden wir die zelluläre und molekulare Signatur der EDMD in mutierten neuromuskulären Organoiden sowohl mit Hilfe von histologischen Untersuchungen als auch mit der 2D- und 3D-Elektronenmikroskopie und Einzelzell-Multiomik beschreiben. Wir werden Veränderungen in der Zellzusammensetzung kartieren, klären, welches Heterochromatin und welche LADs gestört sind, und die Auswirkungen auf die Gentranskription bestimmen. Schließlich werden wir mit Hilfe der Elektronen- und Immunfluoreszenz-FISH-Mikroskopie untersuchen, ob diese Störungen in Muskelbiopsien von EDMD Patienten auch tatsächlich nachweisbar sind. Diese Studie hat das Potenzial, neue Krankheitsmodelle kongenitaler Muskeldystrophien, hier EDMD, zu etablieren und erste pathophysiologisch wichtige Verbindungen zwischen der Kernhülle-gesteuerten Genom-Organisation und möglicher Gen-Dysregulation als Krankheitsursache aufzuzeigen.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 2841: Jenseits des Exoms - Auffindung, Analyse und Vorhersage des Krankheitspotenzials nichtkodierender DNA Varianten.