CEDs: Studie an Millionen von Zellen eröffnet neue Wege zum Verständnis des genetischen Krankheitsrisikos

Wissenschaftler haben die bisher detaillierteste Zellkarte erstellt, die zeigt, wie genetische Variationen Chronisch-entzündliche Darmerkrankungen (CEDs) beeinflussen. Sie stellt die spezifischen Zellen und Gene dar, die die Krankheit antreiben.

Die kürzlich in der Zeitschrift „Nature“ veröffentlichte Studie wurde von Forschenden des Wellcome Sanger Institute und des Cambridge University Hospitals NHS Foundation Trust (CUH) durchgeführt. Beteiligt war maßgeblich auch die Forschungspartnerschaft Open Targets am Wellcome Sanger Insitute, die Daten aus der Humangenetik und Genomik für die systematische Identifizierung und Priorisierung von Wirkstoffzielen sammelt. In ihrer Untersuchung haben die Autoren laut eigenen Angaben die wichtigsten genetischen und zellulären Risikofaktoren für CEDs identifiziert. Die Arbeit demonstriere das Potenzial von Einzelzellanalysen zum Verständnis der komplexen Natur menschlicher Krankheiten. Die Ergebnisse, so ergänzen die Wissenschaftler, bildeten die Grundlage für die Entwicklung und Anwendung neuer Therapien für zahlreiche Erkrankungen.

Bekanntermaßen spielen vererbte DNA-Veränderungen eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der Veranlagung zu CEDs. Die Übertragung dieses Wissens in ein biologisches Verständnis gestalte sich jedoch schwierig, da mehr als 90 Prozent der mit CEDs assoziierten DNA-Veränderungen außerhalb der für Proteine ​​kodierenden Genombereiche liegen, erläutern die Wissenschaftler. Man gehe daher davon aus, dass diese DNA-Veränderungen die Erkrankung beeinflussen, indem sie die Stärke der Aktivierung oder Deaktivierung bestimmter Gene verändern.

Die Identifizierung der spezifischen Gene und Zelltypen, deren Aktivität durch diese DNA-Veränderungen beeinträchtigt wird, habe sich jedoch als schwierig erwiesen, erklären die Verfasser der neuen Publikation. Dies liege daran, dass die meisten zellulären Studien zu Erkrankungen ganze Gewebeproben analysieren, die viele Zelltypen enthalten und dadurch Effekte verschleiern, die nur in bestimmten Zellen auftreten.

Analyse der Genexpression in einzelnen Zelltypen

In ihrer aktuellen Studie untersuchten Forscher des Sanger Institute, von Open Targets, dem CUH und ihre Kooperationspartner, ob die Analyse der Genexpression in einzelnen Zelltypen besser erklären kann, wie genetische Risiken zu CEDs beitragen. Das Team sammelte Blut- und Darmproben von mehr als 400 Personen im Addenbrooke’s Hospital in Cambridge (Großbritannien), darunter 125 Patienten mit Morbus Crohn. Die Darmproben wurden aus dem terminalen Ileum und dem Rektum entnommen.

Die Forscher erstellten mit „IBDverse“ den größten Einzelzelldatensatz aus Darmgewebe und Blut von Patienten mit M. Crohn und gesunden Probanden. Dieser Datensatz enthält Genexpressionsdaten von etwa 2,2 Millionen einzelnen Zellen. Mithilfe der Einzelzell-RNA-Sequenzierung (SCRNA-Sequenzierung) maßen sie die Expression von Zehntausenden von Genen in jeder dieser Zellen. Anschließend verknüpften sie vererbte genetische Unterschiede mit Veränderungen der Genexpressionsstärke und verglichen diese mit bekannten genetischen Risikoregionen für CEDs.

Kombination aus Immun-Fehlregulation und unzureichender Regenerationsfähigkeit

Viele mit CED assoziierte genetische Effekte traten nur in bestimmten Zelltypen auf und blieben bei der Untersuchung ganzer Gewebe unentdeckt. Das Team identifizierte in mehr als der Hälfte der bekannten, mit CED assoziierten genetischen Regionen wahrscheinliche Effektor-Gene.

Die Forschenden fanden heraus, dass viele genetische Effekte in Immunzellen, insbesondere in dendritischen Zellen, auftraten. Dies führten zu einer reduzierten Notch-Signalgebung – einem Signalweg, der an der Regulation von Immunreaktionen im Darm beteiligt ist.

Zudem identifizierten die Wissenschaftler genetische Effekte in Epithelzellen, die die inneren und äußeren Oberflächen des Körpers bedecken. Diese genetischen Veränderungen führten zu einer Fehlregulation der Expression von Wnt-regulierten Genen, die wichtige Zellfunktionen steuern. Dies hatte eine verminderte Geweberegeneration zur Folge, was die Darmschleimhaut schwächen und zur CED-Anfälligkeit beitragen kann.

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass CEDs durch eine Kombination aus einer Fehlregulation des Immunsystems und einer unzureichenden Regenerationsfähigkeit der Darmschleimhaut entstehen.

Informationen für die Arzneimittelentwicklung

Die Studie weist zudem auf weiterreichende Implikationen für die Arzneimittelentwicklung hin. Unter den identifizierten Genen fanden die Forscher eine mögliche Erklärung dafür, warum Metformin häufig gastrointestinale Nebenwirkungen verursacht. Dies legt nahe, dass die genetische Kartierung einzelner Zellen dazu beitragen könnte, die gewebespezifischen Wirkungen bestehender Medikamente vorherzusagen.

Über CEDs hinaus demonstrieren die Ergebnisse nach Auffassung der Autoren ein breit anwendbares Rahmenwerk zur Verknüpfung genetischer Risiken mit spezifischen Zellen und Signalwegen bei jeder Erkrankung, bei der relevantes Gewebe entnommen werden kann. Dies eröffne potenzielle Anwendungsmöglichkeiten für Erkrankungen wie Asthma, Psoriasis und Endometriose.

„Zu unserer Überraschung regulieren viele der neu identifizierten Effektor-Gene Signalwege, die im Zusammenhang mit dem CED-Risiko bisher unterschätzt wurden“, fasst Dr. Bradley Harris, einer der Erstautoren am Wellcome Sanger Institute, zusammen. „Diese Zusammenhänge traten auch in spezifischen Zelltypen des Darms auf, wie beispielsweise in dendritischen Zellen und Darmstammzellen, die üblicherweise nicht mit CEDs in Verbindung gebracht werden. Diese Studie hilft uns daher sehr dabei, das Gesamtbild der molekularen Veränderungen zu verstehen, die CEDs verursachen – und zu erkennen, in welchen Zelltypen und Geweben dies geschieht.“

Dr. Alan Moss, Chief Scientific Officer der Crohn’s & Colitis Foundation – einer der Geldgeber der Studie – ergänzt: „Diese hochauflösende Zellkarte liefert detaillierte Informationen darüber, welche Signalwege in verschiedenen Zelltypen bei CEDs gestört sind. Solche Informationen können Forschende auf krankheitsrelevante Signale in spezifischen Zelltypen hinweisen. Die Daten können neue Krankheitsmechanismen aufdecken und möglicherweise gezieltere Behandlungen für Patienten ermöglichen.“

„Als wir mit der Planung dieser Studie begannen, umfassten Projekte zur Einzelzellsequenzierung üblicherweise nur wenige Dutzend Personen“, berichtet Dr. Tim Raine, einer der leitenden Autoren und Gastroenterologe am CUH. „Uns war klar, dass wir für eine hinreichende Aussagekraft bei der Beantwortung dieser Fragen Gewebeproben in weitaus größerem Umfang benötigen würden – konkret von Hunderten von Patienten, die sich eigens für diese Forschungsarbeit invasiven Biopsien unterzogen. Die Bereitschaft dieser Patienten zur Teilnahme sowie der enorme Einsatz der Klinik- und Laborteams bei der Gewinnung und Verarbeitung der Proben in diesem Ausmaß haben diese beispiellose wissenschaftliche Leistung erst möglich gemacht.“

Dr. Carl Anderson, ebenfalls leitender Autor und tätig am Wellcome Sanger Institute sowie bei Open Targets, ergänzt „Genomweite Assoziationsstudien haben uns gezeigt, wo im Genom das Risiko für CEDs verankert ist. Diese Studie hingegen offenbart, welche Gene durch diese Risikovarianten beeinträchtigt werden und in welchen Zelltypen dies geschieht. Besonders spannend ist dabei – abgesehen von den zahlreichen Erkenntnissen zur Biologie von CEDs–, dass derselbe Ansatz genutzt werden kann, um die biologischen Geheimnisse vieler anderer Krankheiten zu entschlüsseln. Die groß angelegte Einzelzellsequenzierung bietet einen hochauflösenden Einblick in die Krankheitsbiologie. Durch die Verknüpfung dieser Daten mit genetischen Variationen gewinnen wir nun die nötigen Erkenntnisse, um die Identifizierung besserer Angriffspunkte für Medikamente voranzutreiben.“