Genome instability and somatic retropositional mosaicism in the adult human brain
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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.