The role of enhancer mutations in human complex traits

QC 20250519

Abstract

Att förstå den genetiska grunden för sjukdomar och individuella svar på yttre stimuli har en enorm potential för att förbättra livskvaliteten. Sedan upptäckten av DNA som bärare av genetisk information har vetenskapen successivt avslöjat mekanismerna för informationsöverföring från DNA till RNA och proteiner, vilket har fört oss närmare en djupare förståelse av den mänskliga biologins principer. Framväxten av helgenomsekvensering, genomomfattande associationsstudier (GWAS) och analyser av expression quantitative trait loci (eQTL) har gjort det allt mer möjligt att kliniskt och i synnerhet individanpassat tillämpa genomisk data. Det blev dock snart tydligt att mutationer med hög penetrans i proteinkodande regioner, som är relativt enkla att annotera, endast står för cirka 5 % av kända fall, och då oftast i samband med Mendelska sjukdomar. De flesta sjukdomar är komplexa egenskaper som involverar flera, ofta reglerande, icke-kodande varianter.

En stor utmaning vid annotering av icke-kodande varianter ligger i två sammankopplade uppgifter: (a) att förutsäga den regulatoriska aktiviteten i de genomiska regioner där varianterna är belägna, och (b) att koppla dessa regulatoriska regioner till deras mål-gener. Denna avhandling använder sequence capture Hi-C som den huvudsakliga metodologiska ansatsen för att adressera båda dessa punkter på ett celltypsspecifikt sätt.

I Artikel A undersökte vi huruvida regulatoriska varianter kunde förutsäga nivåer av kemoterapiinducerad myelosuppression hos patienter med icke- småcellig lungcancer. För detta ändamål analyserade vi interaktom- och bulktranskriptomförändringar efter behandling med karboplatin eller gemcitabin i tre relevanta hematopoetiska cellinjer (CMK, MOLM-1 och K-562).Som resultat visade vi att icke-kodande varianter, tidigare prioriterade i 96 patienter med varierande grad av myelosuppression, är berikade i interaktioner med gener som uppvisar förändrade interaktionsprofiler efter behandling. Denna proof-of-concept-studie lade grunden för uppföljande analyser i patienthärledda benmärgsprover.

I Artikel B undersökte vi bidraget från sällsynta icke-kodande varianter till den saknade ärftligheten vid en medfödd hjärt-kärlsjukdom – bikuspid aortaklaff. Vi kombinerade endotelinteraktomet från den uppåtstigande aortan hos sexton vuxna patienter, med fokus på alla promotorinteragerande regioner, med individernas helgenomsekvensdata. Dessutom integrerade vi embryonala enkelcells- och spatiala transkriptomdata för att sätta dessa fynd i ett utvecklingssammanhang. Genom att använda innovativa analytiska metoder, inklusive allelspecifik genuttrycksanalys, avancerade icke-redundanta transkriptionsfaktormotiv och nätverksmodeller på individnivå, visade vi att sällsynta regulatoriska varianter kompletterar protein-kodande mutationer i att forma transkriptomprofiler i hjärtmesenkym och fibroblaster hos sjuka foster. Detta arbete utgör grunden för en utvidgad och mer omfattande pågående studie i aortaklaffceller.

I Artikel C syftade vi till att belysa de regulatoriska mekanismerna bakom 9p21-lokuset, det mest signifikanta genetiska risklokuset för kranskärlssjukdom. Vi integrerade den andra delen av endotelcellernas interaktomdataset, med fokus på SNP:er associerade med kranskärlssjukdom, med glattmuskelcellers interaktom från den uppåtstigande aortan hos ytterligare sex patienter. Vi visade att riskvarianten rs1333042 interagerar med den tidigare icke-relaterade genen MIR31HG, specifikt i endotelceller. Flera experimentella valideringslager stödde detta fynd.

Sammanfattningsvis bidrar denna avhandling till området klinisk interaktomik genom att illustrera nya fall av så kallade "enhanceropatier" och föreslå nya ramverk för att integrera interaktomdata med bulk-, enkelcells- och spatial transkriptomik samt helgenomsekvensering över olika utvecklingsstadier. Dessa studier erbjuder konceptuella insikter och praktiska metoder för att förstå den icke-kodande genomens roll i sjukdom.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-363500