Funktionsnachweis von Genen bei der Cholesterin- Regulation

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1 Powered by Seiten-Adresse: Funktionsnachweis von Genen bei der Cholesterin- Regulation Mithilfe genomweiter Assoziationsstudien, die mit RNA-Interferenzstudien und mikroskopbasierten Funktionsanalysen gekoppelt waren, haben Wissenschaftler des Europäischen Molekularbiologischen Laboratoriums und des Universitätsklinikums Heidelberg Gene identifiziert, die wichtige Funktionen bei der Regulation des Cholesterinspiegels im Blut spielen. Die neue Methodik führt zu einem besseren Verständnis der Zusammenhänge zwischen Störungen des Lipidstoffwechsels und der Entstehung von Herz-Kreislauf-Krankheiten. Ein hoher Cholesterinspiegel im Blut gilt als ein wichtiger Risikofaktor für Herz-Kreislauf- Krankheiten. Hauptindiz dafür sind die cholesterinhaltigen Lipid-Einlagerungen in den Bindegewebs- Plaques der Arterienwände bei Arteriosklerose. Dadurch kann ein thrombotischer Gefäßverschluss entstehen, der zum Herzinfarkt oder Schlaganfall führt. Als Hauptübeltäter wird das an Low density lipoprotein gebundene Cholesterin (LDL-Cholesterol) angesehen - die Verpackungsform, in der Cholesterin von der Leber weg zu den Organen und Geweben des Körpers transportiert wird. An dem Konzept des krankheitsverursachenden hohen Cholesterins im Blut hängen mächtige Wirtschaftsinteressen: Die umsatzstärksten Medikamente überhaupt sind cholesterinsenkende Statine; und eine cholesterinfreie Ernährung stellt ein intensiv beworbenes, hoch bedeutsames Segment der Nahrungsmittel- und Genussmittelindustrie dar. Der Zusammenhang zwischen einem erhöhten Cholesteringehalt im Blut und Herz-Kreislauf- Krankheiten ist jedoch unklar und heftig umstritten. Nicht nur ist Cholesterin ein lebenswichtiger Bestandteil der Zellmembranen (ganz besonders des Gehirns), der Körper synthetisiert auch das benötigte Cholesterin zum großen Teil selbst. Etwa neunzig Prozent des gesamten Cholesterins im Körper liegen intrazellulär vor. Die Regulation erfolgt durch Aufnahme und Abgabe aus dem bzw. in den Blutstrom. Veränderungen im Cholesterinspiegel des Blutes und damit assoziierte Krankheiten hängen daher in starkem Maße von den entsprechenden zellulären Mechanismen ab, den Sekretionswegen zwischen endoplasmatischem Retikulum (ER), Golgi-Apparat und Plasmamembran. Seit Langem weiß man auch, dass der Cholesterinspiegel im Blut in hohem Maße durch Erbfaktoren bestimmt wird, aber genetische Grundlagen und die molekularen Abläufe der Regulation bzw. ihrer krankheitsverursachenden Störungen sind noch weitgehend unbekannt. 1

2 Dr. Heiko Runz, Institut für Humangenetik der Universität Heidelberg. Universitätsklinikum Heidelberg Molecular Medicine Partnership Dr. Rainer Pepperkok, Europäisches Molekularbiologisches Laboratorium, Heidelberg. EMBL In einem Gemeinschaftsprojekt Cell biology and disorders of cholesterol metabolism erforschen Heidelberger Naturwissenschaftler und Mediziner die Grundlagen des Cholesterinstoffwechsels und der damit assoziierten Krankheiten. Das von Dr. Rainer Pepperkok am Europäischen Molekularbiologischen Laboratorium (EMBL) und Dr. Heiko Runz am Institut für Humangenetik der Universität Heidelberg geleitete Projektteam gehört zur Molecular Medicine Partnership (MMPU), einer vom EMBL und dem Universitätsklinikum 2

3 Heidelberg gemeinsam getragenen Initiative. Forschungsschwerpunkt des Zellbiologen Pepperkok, der auch die Advanced Light Microscopy Core Facility" am EMBL leitet, ist der Membrantransport im Sekretionsweg vom ER zum Golgi- Apparat. Um die an der Regulation des Sekretionsweges beteiligten Moleküle räumlich und zeitlich zu identifizieren, entwickelte er unter anderem neue Ansätze zur Beobachtung in lebenden Zellen wie GFP ( green fluorescence protein )- markierte Proteine zusammen mit der systematischen Abschaltung einzelner Gene durch RNA-Interferenz (RNAi). Der Humangenetiker Runz fokussierte sich auf zellbasierte funktionelle Genomik, die Verbindung von Zellbiologie und Genetik, um aus genomischen Daten Informationen über Genfunktionen abzuleiten. In einer die methodischen Ansätze beider Laboratorien kombinierenden Studie hat das MMPU-Team jetzt Gene identifizieren können, die für die Regulation des Cholesterinspiegels in den Zellen und im Blut eine wichtige Funktion ausüben. Genomweite Assoziationsstudien, RNA-Interferenz und Mikroskopbasierte Funktionsanalysen Schema des zellulären Membrantransportweges (COPII: coated vesicle protein II für den Transport vom ER zum Golgi; COPI: coated vesicle protein I für den Transport vom Golgi zum ER; VTC: vesicular tubular cluster ; TGN: trans-golgi network ). Pepperkok, EMBL Bisher hat man etwa 120 kritische Regionen (Loci) auf dem menschlichen Genom identifiziert, die mit Veränderungen des Lipidgehaltes und besonders des Cholesteringehaltes im Blut und einem erhöhten Risiko an Herz-Kreislauf-Krankheiten wie Atherosklerose und Herzinfarkt in Verbindung gebracht werden. Um sie zu finden, wurden sogenannte Genom-weite Assoziationsstudien (GWAS) durchgeführt. Dazu werden die Genome von hunderttausenden Individuen mit Hilfe definierter Marker (meist sogenannte SNPs single nucleotide polymorphisms ) auf Variationen gescreent, die in der Population mit den untersuchten Symptomen im Vergleich zur Kontrollgruppe gehäuft auftreten. Alle Gene, von denen bereits bekannt war, dass sie bei einem krankhaft veränderten Lipidstoffwechsel eine Rolle spielen, wurden auch mit GWAS nachgewiesen. 3

4 Für die meisten der identifizierten Genloci war eine Funktion aber nicht bekannt und mit einer solchen epidemiologischen Genomanalyse allein auch nicht zu ergründen. Dazu sind weitere Untersuchungen auf Phänotyp-Ebene erforderlich zum Beispiel durch den Nachweis der Genexpression. Identifizierung neuer Cholesterin-regulierender Gene durch hochauflösende Fluoreszenzmikroskopie. Oben links: Cholesterinaufnahme (orange) in die Zellen; oben rechts: freies Cholesterin (blau) in den Zellen; unten links: Lokalisierung eines neuen Cholesterin-regulierenden Proteins (grün); unten rechts: Zellmasse (grau) und aufgenommene Cholesterinpartikel (weiß). PLoS Genetics; P. Blattmann/EMBL; C. Schuberth/Universitätsklinikum Heidelberg. Das Team Runz-Pepperkok untersuchte im Einzelnen 133 Gene auf 56 der etwa 120 Loci, für die durch GWAS gezeigt worden war, dass sie mit der Blutlipidkonzentration und Herz- Kreislauf-Krankheiten assoziiert sind. Sie setzten dazu die RNA-Interferenz-Technologie (RNAi) ein, mit der selektiv die Expression der Zielgene unterdrückt werden kann. Mit spezifischen, synthetisch hergestellten kleinen RNA-Molekülen wurden die jeweiligen mrnas der Gene abgefangen. Anschließend wurde mit hochauflösender Fluoreszenzmikroskopie und automatisierter Bildverarbeitung geprüft, ob es bei Zellen mit den entsprechend stillgelegten Genen Störungen in der Aufnahme oder der Ablagerung von markiertem Cholesterin gab (siehe Abbildung). Folge derartiger Störungen ist ein Anstieg des Cholesterinspiegels im Blut. Zu diesem neuen Ansatz für die Identifizierung und funktionelle Validierung von Genen der Cholesterin-Regulation erklärte Rainer Pepperkok: Dies ist die erste RNA-Interferenzstudie großen Maßstabs, die auf eine GWAS folgt. Ihr Potenzial wird dadurch belegt, dass mit ihr die lange Liste von Kandidatengenen auf diejenigen Gene eingeengt werden konnte, die tatsächlich wichtige Funktionen bei der Regulation von Cholesterin ausüben. Auf sie können wir uns mit tiefer gehenden Studien zukünftig konzentrieren. Heiko Runz, der gegenwärtig am Center for Human Genetic Research des Massachusetts General Hospital in Boston, USA, forscht, betonte die medizinische Bedeutung der Studie: Im Prinzip kann unser Ansatz auf jede Krankheit angewandt werden, die einen beobachtbaren Effekt auf Zellen ausübt. Wir haben viele neue Gene identifiziert, die den kritischen Vorgang der Cholesterinaufnahme in die Zellen beeinflussen und wahrscheinlich auch eine entscheidende Rolle bei der Entstehung von 4

5 koronarer Herzkrankheit und Myokardinfarkt spielen. Nun müssen weitere Studien zeigen, wie diese Gene im Einzelnen wirken, wie häufig sie in Patienten verändert sind und ob sich Defekte in diesen Genen eventuell mit Medikamenten kompensieren lassen. Die jetzt identifizierten Gene könnten so zum besseren Verständnis der Mechanismen beitragen, die zu Herz-Kreislauf-Krankheiten führen. Vielleicht lässt sich dadurch in der Zukunft auch die Vorhersage und Diagnose dieser Krankheiten - Todesursache Nummer Eins in den westlichen Industrieländern - verbessern. Publikation: Peter Blattmann, Christian Schuberth, Rainer Pepperkok, Heiko Runz (2013): RNAi-based functional profiling of loci from blood lipid genome-wide association studies identifies genes with cholesterol-regulatory function. PLOS Genetics 9(2): e Fachbeitrag EJ BioRN BIOPRO Baden-Württemberg GmbH Der Fachbeitrag ist Teil folgender Dossiers RNA-Interferenz: Die Zuversicht ist wieder zurückgekehrt 5