Chromosomale Erkrankungen besser erkennen

Hi-C-Verfahren verbessert Detektion von Brüchen und Umlagerungen im Genom

Brüche und Umlagerungen im Erbgut können zu schweren Erkrankungen führen, selbst wenn die Gene dabei intakt bleiben. Eine zuverlässige und genaue Diagnose solcher Defekte verspricht Hi-C, eine Methode zur Analyse der dreidimensionalen Struktur von Chromosomen, die derzeit in der Klinik noch nicht genutzt wird. Ein Forschungsteam um die Humangenetiker Malte Spielmann vom Institut für Humangenetik der Universität zu Lübeck und Stefan Mundlos vom Max-Planck-Institut für molekulare Genetik und der Charité – Universitätsmedizin Berlin nutzte das Hi-C-Verfahren für die Untersuchung von Patientinnen und Patienten mit genetischen Entwicklungsstörungen.

Schon die Veränderung eines einzigen Bausteins im Genom kann Krankheiten auslösen. Die Auswirkungen sind umso schlimmer, wenn große Abschnitte wegfallen oder an einer anderen Stelle wiedereingesetzt werden. Zellen mit solchen Defekten sind oftmals nicht überlebensfähig, weil durch den Verlust oder die Veränderung von Genen wichtige Funktionen nicht mehr wahrgenommen werden können.

Doch selbst wenn beim Bruch eines Chromosoms alle Gene intakt bleiben, können ernsthafte Probleme entstehen: Steuerelemente in der DNA können an die falsche Stelle gelangen und dort Gene zur falschen Zeit oder am falschen Ort aktivieren. Dies kann Krebs, neurodegenerativen Erkrankungen oder Entwicklungsstörungen verursachen.

Schlaufen im Erbgut untersucht

Trotz großer Fortschritte im Bereich der genetischen Diagnostik bleibt die Identifizierung der genetischen Ursachen erblicher Erkrankungen ausgesprochen schwierig. „In über der Hälfte der Fälle gelingt es trotz umfangreicher Analyse nicht, die ursächliche Mutation zu finden“, sagt Stefan Mundlos vom Max-Planck-Institut für molekulare Genetik und der Charité – Universitätsmedizin Berlin. „Selbst eine Sequenzierung des gesamten Genoms hilft den Betroffenen häufig nicht weiter.“

Wie das Team um die Humangenetiker Stefan Mundlos und Malte Spielmann in der aktuellen Ausgabe des Fachjournals American Journal of Human Genetics schildert, könnte ein Verfahren aus der Grundlagenforschung die klinische Diagnostik künftig entscheidend verbessern. Die Forschenden untersuchten eine Gruppe von Betroffenen, deren Erkrankungen vermutlich durch Umlagerungen im Erbgut verursacht worden waren. Sie nutzten dafür ein Verfahren namens „Hi-C“ (kurz für high-throughput chromosome conformation capture, „Konformationserfassung von Chromosomen im Hochdurchsatz“), mit dem dargestellt werden kann, welche Abschnitte des Genoms sich im Zellkern aneinanderlagern. Chromosomale Umlagerungen verändern diese räumliche Anordnung, dies wird in der Analyse sichtbar.

Das Team untersuchte Blut-, Haut- und Fruchtwasserproben von insgesamt neun Betroffenen, bei denen zwar Chromosomenbrüche nachgewiesen, aber kein bekanntes Gen verändert war. „Wir wollten wissen, ob wir mit Hi-C den klinischen Befund nachvollziehen oder die Diagnose sogar verbessern konnten“, sagt Malte Spielmann, der die Studie gemeinsam mit Mundlos leitete. „Tatsächlich war das Ergebnis viel komplexer als erwartet.“

Hi-C entwirrt geordnet verknäulte DNA

Die klassische Analyse von Chromosomendefekten erfolgt durch ein Karyogramm – dabei werden angefärbte Chromosomen durch ein Mikroskop betrachtet. Eine weitere Methode, die vergleichende Genomhybridisierung, arbeitet mit fluoreszenzmarkierten DNA-Abschnitten. Sie zeigt an, wo das Erbgut Lücken oder Dopplungen aufweist. Dennoch sind beide Verfahren verhältnismäßig ungenau. „Es ist nur erkennbar, dass etwas nicht stimmt. Worum es sich jedoch genau handelt, lässt sich schwer beurteilen“, sagt Uirá Souto Melo, der gemeinsam mit Rocio Acuna-Hidalgo und Robert Schöpflin Erstautor dieser Arbeit ist.

Es käme auch darauf an, welche Abschnitte des Erbgutfadens sich untereinander berühren, erklärt der Wissenschaftler: „Die DNA ist nicht einfach zufällig im Zellkern verteilt.“ Tatsächlich ist die DNA räumlich im Zellkern organisiert und weist abgegrenzte Segmente und mehrere räumliche Organisationsebenen auf. Bislang können nur mit dem Hi-C-Verfahren die Kontakthäufigkeiten der Erbgutstränge im dreidimensionalen Raum genomweit kartiert werden.

Schlaufen und Dreiecke

Melo untersuchte die Patientenzellen mithilfe der Hi-C-Methode. Zunächst wurde die DNA so behandelt, dass sich Segmente, die sich im Zellkern berühren, permanent aneinander banden. Anschließend wurde das Erbgut in kleine Stücke zerteilt und diese zum Schluss sequenziert. DNA-Abschnitte, die im Zellkern in räumlicher Nähe zueinander lagen, konnten so gemeinsam sequenziert werden.

Nach der bioinformatischen Auswertung werden die Häufigkeit der Kontakte in sogenannten Heatmaps dargestellt, in der die Farbintensität der einzelnen Punkte zeigt, wie häufig in der Probe ein Kontakt zwischen zwei DNA-Abschnitten beobachtet wurde. „Für Bereiche des Genoms, in denen besonders intensive Kontakte bestehen und die zu einem gewissen Grad von den benachbarten Regionen abgegrenzt sind, ergeben sich charakteristische dreieckige Formen in der Heatmap“, erklärt der Bioinformatiker Robert Schöpflin. „Solche Regionen stellen eine Art große Schlaufen im Erbgut dar, in denen Steuerelemente und Gene gemeinsam organisiert sind“, fährt er fort. Die Regionen werden als „topologisch assoziierte Domänen“ (TADs) bezeichnet; sie stellen Regionen mit hoher Interaktion im dreidimensionalen Raum dar.

Wichtige Grenzen

Wenn diese Schlaufenbildung durch einen Bruch im Erbgut gestört wird, können die Folgen gravierend sein. „Die Domänen verhalten sich wie ein Behälter mit gläsernen Kammern mit Öl, Wasser und Salz“, sagt Melo. „Nehme ich das Glas zwischen den Kammern heraus, vermischt sich der Inhalt und die Zusammensetzung verändert sich natürlich.“

In ähnlicher Weise kann sich die Reichweite von genetischen Steuerungsfaktoren verändern, wenn die Grenzen zwischen den TADs verschwinden. Ohne die limitierenden Grenzen können einzelne Faktionen Gene in einer DNA-Schlaufe steuern, für die sie gar nicht zuständig sind – und die Regulationsmechanismen in der Zelle brechen zusammen. „Wenn die Grenze zwischen zwei Domänen entfällt oder deren Inhalt vertauscht wird, kann ein Gen, das normalerweise für die Entwicklung der Gliedmaßen verantwortlich ist, zum Beispiel im Gehirn aktiviert werden und dort Fehlentwicklungen verursachen“, sagt der Wissenschaftler.

In den jetzt untersuchten klinischen Proben konnte das Team nicht nur die bestehenden Befunde bestätigen und präzisieren, welchen Effekt falsch zusammengesetzte TAD-Genomschlaufen hatten. Die Forschenden könnten darüber hinaus noch weitere Bruchstellen nachweisen, die mit den klassischen diagnostischen Methoden nicht sichtbar waren.

Der Weg in die Klinik

„Schon morgen Hi-C in der Klinik anzuwenden, wäre natürlich ein Traum“, sagt Melo. „Derzeit ist das aber leider noch nicht möglich.“ Noch wären die Kosten zu hoch und das Verfahren zu kompliziert, um Patientinnen und Patienten routinemäßig mit diesem Verfahren zu testen. Das Team ist jedoch davon überzeugt, dass die noch jungen Methode viel Raum für Weiterentwicklungen bietet.

So könnten Laborarbeit automatisiert und Algorithmen weiter verbessert werden und auch bei der Sequenzierung gäbe es Einsparpotenial, sagt der Forscher. „Wichtig ist nun, dass wir mit den Kolleginnen und Kollegen aus der Humangenetik und Medizin auf der ganzen Welt ins Gespräch kommen, um aus einer Labormethode ein echtes diagnostisches Verfahren entwickeln zu können.“

Literatur:

Uirá Souto Melo, Robert Schöpflin, Rocio Acuna-Hidalgo, Martin Atta Mensah, Björn Fischer-Zirnsak, Manuel Holtgrewe, Marius-Konstantin Klever, Seval Türkmen, Verena Heinrich, Ilina Datkhaeva Pluym, Eunice Matoso, Sérgio Bernardo de Sousa, Pedro Louro, Wiebke Hülsemann, Monika Cohen, Andreas Dufke, Anna Latos-Bieleńska, Martin Vingron, Vera Kalscheuer, Fabiola Quintero-Rivera, Malte Spielmann, Stefan Mundlos (2020): Hi-C Identifies Complex Genomic Rearrangements and TAD-Shuffling in Developmental Diseases. The American Journal of Human Genetics 106(6). https://doi.org/10.1016/j.ajhg.2020.04.016