Authors:	Möhner, Jonas
Title:	Genome instability and somatic retropositional mosaicism in the adult human brain
Online publication date:	7-Dec-2023
Year of first publication:	2023
Language:	english
Abstract:	Zellen des Somas, insbesondere des Gehirns, bilden regionenspezifisch unterschiedlich häufig genomische Variationen aus, was zu einem somatischen Mosaizismus führt. Dieses postzygotische Phänomen ist u. a. Folge von DNA-Schädigungen oder fehlerhafter Reparatur und kann zu neurogenetischen Störungen beitragen. Die vorliegende Arbeit präsentiert zwei innovative Ansätze, um die Rolle von Retrotransposons und DNA Doppelstrang-Brüchen (DSBs) bei der Entstehung des somatischen Mosaiks im humanen Gehirn zu untersuchen. Retrotransposons, darunter SVA und LINE-1 (L1), sind mobile genetische Elemente, die sich im Genom mittels des "Copy-and-Paste"-Mechanismus vermehren. Aktuelle NGS-basierte Studien haben gezeigt, dass die Retrotranspositions- maschinerie im humanen Gehirn aktiv ist. Dies wirft die Frage auf, ob SVA und L1 bzw. deren Anwesenheit an orthologen Loci verwendet werden können, um somatische Unterschiede in Gehirnregionen nachzuvollziehen. Hierzu wird eine subtraktive kinetische Anreicherungstechnik namens Representational Difference Analysis (RDA) in Verbindung mit NGS etabliert. Zusätzlich werden chromosomale DSB-Hotspots und deren regionale Unterschiede im Gehirn untersucht. Für eine Form der Reparatur dieses DNA-Schadens ist bekannt, dass SINE/LINE-Information im Rahmen eines nicht-homologen end-joinings eingesetzt wird, d. h. es entstehen typische Signaturen von SINE/LINE-Integrationen an DSB-Stellen. Um das "Breakome" zu beschreiben, wird ein DSB-Markierungssystem auf der Grundlage von Breaks Labeling In Situ and Sequencing (BLISS) eingesetzt. Die RDA liefert Beweise für somatischen Mosaizismus, der durch unterschiedliche Retrotransposition von L1 und SVAs im humanen Gehirn hervorgerufen wird. Dabei können SVAs als „Presence/Absence“ Marker die Entwicklung von Telencephalon und Metencephalon widerspiegeln. De novo SVA und L1 Insertionen besitzen chromosomenweite Raten und eine bevorzugte Integration in GC- und TE-reiche Regionen und Genen, die tendenziell an neuraler Funktion beteiligt sind. Die "Breakome"-Ergebnisse zeigen DSB-Hotspots, welche im gesamten Gehirn oder hirnregionsspezifisch auftreten. Infolgedessen sind mehrere bekannte und neue "recurrent DSB cluster" (RDC) assoziierte Gene nachweisbar, die mit neurologischen Krankheiten in Verbindung gebracht werden können. Ergänzend lassen sich (epi-) genetische Prädiktoren für die Ausbildung von DSBs identifizieren, darunter DNA-bindende Proteine, die eine Rolle in der DSB-Reparatur spielen. Interessanterweise treten Retrotransposons und DSBs oft in unmittelbarer Nähe zueinander auf, was auf eine mögliche Beteiligung von mobiler DNA an der Induktion oder Reparatur von DSBs hindeutet. Zusammengefasst bieten die in dieser Arbeit vorgestellten Methoden vielfältige Anwendungsmöglichkeiten, wie z. B. für „cell lineage tracing“-Experimente oder die Analyse von möglicherweise pathogenen DNA-Schädigungen in Zusammenhang mit neurologischen oder tumorösen Erkrankungen. Cells of the soma, especially of the brain, generate genomic variations with region-specific differences in frequency, which leads to somatic mosaicism. This postzygotic phenomenon is, among others, a consequence of DNA damage or defective repair and may contribute to neurogenetic disorders. The present work provides two innovative approaches to investigate the role of retrotransposons and DNA double-strand breaks (DSBs) in the formation of somatic mosaicism in the human brain. Retrotransposons, including SVA and LINE-1, are mobile genetic elements that replicate in the genome by the "copy-and-paste" mechanism. Recent NGS-based studies demonstrated that the retrotransposon machinery is active in the human brain. This raises the question of whether SVA and LINE-1, respectively their presence at orthologous loci, can be used to track somatic differences in brain regions. For this purpose, a subtractive kinetic enrichment technique called Representational Difference Analysis (RDA) coupled with NGS is established. In addition, chromosomal DSB hotspots and their regional differences in the brain will be investigated. For one type of DSB repair, SINE/LINE information is known to be used in the context of non-homologous end-joining, i.e. typical signatures of SINE/LINE integrations at DSB sites are generated. To describe the ‘breakome’, a DSB labeling system based on Breaks Labeling In Situ and Sequencing (BLISS) is implemented. The RDA provides evidence for somatic mosaicism caused by differential retrotransposition of LINE-1 and SVAs in the human brain. In this context, SVAs as ‘presence/absence’ markers can reflect the development of telencephalon and metencephalon. De novo SVA and LINE-1 insertions have chromosome-wide rates and preferential integration in GC- and TE-rich regions and genes that tend to be involved in neural functions. The ‘breakome’ results show DSB hotspots occurring across the brain or in a brain region-specific manner. As a result, several known and novel recurrent DSB cluster (RDC) associated genes are detectable and can be linked to neurological diseases. Moreover, (epi-) genetic predictors of DSB formation can be identified, including DNA-binding proteins that play a role in DSB repair. Interestingly, retrotransposons and DSBs frequently occur in close proximity to each other, suggesting a possible involvement of mobile DNA in the induction or repair of DSBs. In summary, the methods presented in this work can be applied in various research areas, such as cell lineage tracing experiments or the analysis of potentially pathogenic DNA damage in the context of neurological or tumor diseases.
DDC:	570 Biowissenschaften 570 Life sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 10 Biologie
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-9696
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-openscience-36ccbd6b-619b-4910-a860-0091dd6313d23
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	127 Seiten ; Illustrationen, Diagramme
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