| License: Creative Commons Attribution 4.0 (4MB) |
- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-443100
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.44310
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Open Access Type: | Primary Publication |
| Date: | 2 August 2021 |
| Referee: | Prof. Dr. Bernhard H.F. Weber |
| Date of exam: | 2 December 2020 |
| Institutions: | Medicine > Lehrstuhl für Humangenetik |
| Keywords: | Age-related macular degeneration (AMD); Gene expression regulation, eQTL, TWAS |
| Dewey Decimal Classification: | 500 Science > 570 Life sciences 600 Technology > 610 Medical sciences Medicine |
| Status: | Published |
| Refereed: | Yes, this version has been refereed |
| Created at the University of Regensburg: | Yes |
| Item ID: | 44310 |
Abstract (English)
Genome-wide association studies (GWAS) have led to the identification of a plethora of risk-associated genetic variants for a multitude of complex diseases. The very first GWAS was performed by Klein et al. in the year 2005 and identified variants in the complement factor H (CFH) gene to be associated with age-related macular degeneration (AMD). AMD is a complex eye disease and one of the most ...
Abstract (English)
Genome-wide association studies (GWAS) have led to the identification of a plethora of risk-associated genetic variants for a multitude of complex diseases. The very first GWAS was performed by Klein et al. in the year 2005 and identified variants in the complement factor H (CFH) gene to be associated with age-related macular degeneration (AMD). AMD is a complex eye disease and one of the most common causes of visual impairments and blindness worldwide. It is widely accepted that environmental factors, especially advanced age and smoking, as well as genetic factors contribute substantially to disease risk. Remarkably, the influence of genetics was estimated to be as high as 40-71 %. However, little is known about AMD aetiology, although the latest GWAS performed by Fritsche et al. (2016) revealed 52 independent signals distributed over 34 loci to be associated with AMD.
Most of the AMD-associated variants are located in non-coding intergenic or intronic regions of the genome, where functional annotation presents a major challenge. However, these variants may play an important role in the regulation of gene expression. The aim of this thesis was therefore to examine the pathogenesis of AMD in the context of gene expression regulation.
A first approach investigated expression quantitative trait loci (eQTL) in liver tissue. Thus, genotype and gene expression data from four independent studies were combined to enable a comprehensive analysis. All samples and studies underwent an especially developed data processing protocol, which applied stringent filter to exclusively allow the detection of highly valid associations. Altogether 588 samples were included and 7,612 genetically regulated genes (Q-Value < 0.05) have been identified. Remarkably, 15 of these are influenced by AMD-associated variants and a comparative analysis reinforced the notion that the initial complement system and lipoprotein metabolism play a role in AMD pathogenesis.
In a second project, the Genotype-Tissue Expression (GTEx) database was explored to extend the initial investigations to a variety of tissues. GTEx contains data on 48 different tissues or cell types available from up to 500 donors. The eQTL analysis enabled a new hypothesis regarding gene expression regulatory effects in one of the most significant AMD-associated loci. It was shown that genetic variants within the ARMS2-HTRA1 locus regulate immune system related genes throughout the whole genome. In addition to the bioinformatics studies, in vitro experiments were conducted to validate the developed hypothesis. First, a large genomic deletion within the ARMS2-HTRA1 locus was introduced to assess potential consequences on the expression of bioinformatical predicted target genes. In a second approach, gene expression within the locus was enhanced by targeted application of transcription activation factors. Nevertheless, both strategies were not able to confirm the generated hypothesis in HEK293T cells in the initial experiments.
The next project included the comprehensive analysis of eQTL in 314 healthy retinal tissue samples collected from three independent study sites. Altogether, 9,733 genetically regulated genes (Q-value < 0.05) were identified, which allowed insights in gene expression regulation of exclusively healthy retinal tissues for the very first time. Interestingly, only 7 of 34 AMD-associated loci revealed eQTL effects in retina although one must assume that this tissue is a site of the primary/secondary pathology of AMD
Therefore, the last project of this thesis aimed at obtaining a comprehensive view on gene expression regulation in the light of AMD genetics. A transcriptome wide association study (TWAS) was performed, which included the genotypes of 16,144 late-stage AMD cases and 17,832 healthy controls from the International AMD Genomics Consortium (IAMDGC). For all these individuals, gene expression was imputed in 27 tissues and analysed in regard to the respective AMD status. This analysis discovered 106 genes, which expression was found to be associated with AMD genetics in at least one tissue. Regulatory effects on gene expression were identified in 25 of the 34 AMD-associated loci.
Taken together, this work revealed that gene expression regulation is common in AMD-associated loci. The identified genes reinforce the notion that systemic processes like the complement system or blood lipid levels seem to be relevant for AMD pathology. Furthermore, expression of genes associated with AMD is not restricted to retinal tissue, but instead is rather ubiquitous suggesting processes underlying AMD pathology to be of systemic nature, although the pathological phenotype occurs in the eye.
Translation of the abstract (German)
Genomweite Assoziationsstudien (GWAS) haben dazu beigetragen eine Vielzahl genetischer Varianten zu identifizieren, die mit dem Risiko komplexer Krankheiten assoziiert sind. Die überhaupt erste erfolgreiche GWAS wurde von Klein et al. im Jahre 2005 durchgeführt und detektierte eine Assoziation genetischer Varianten im Komplement Faktor H (CFH) Gen mit der altersabhängigen Makuladegeneration ...
Translation of the abstract (German)
Genomweite Assoziationsstudien (GWAS) haben dazu beigetragen eine Vielzahl genetischer Varianten zu identifizieren, die mit dem Risiko komplexer Krankheiten assoziiert sind. Die überhaupt erste erfolgreiche GWAS wurde von Klein et al. im Jahre 2005 durchgeführt und detektierte eine Assoziation genetischer Varianten im Komplement Faktor H (CFH) Gen mit der altersabhängigen Makuladegeneration (AMD). AMD ist eine komplexe Netzhauterkrankung und weltweit eine der häufigsten Ursachen für Sehbeeinträchtigungen und Erblindungen. Es wird angenommen, dass sowohl Umweltfaktoren, insbesondere Altern und Rauchen, als auch die genetische Prädisposition das Krankheitsrisiko wesentlich bestimmen. Der Einfluss genetischer Faktoren wurde auf 40 - 71 % geschätzt. Bisher ist nur wenig über die Ätiologie der AMD bekannt, obwohl die aktuellste GWAS von Fritsche et al. (2016) bereits 52 unabhängige Signale in 34 mit AMD-assoziierten Loci aufdecken konnte.
Die meisten der AMD-assoziierten Varianten befinden sich in nicht-kodierenden intergenischen oder intronischen Bereichen des Genoms, wobei eine funktionelle Abklärung eine große Herausforderung darstellt. Solche Varianten könnten sich auf die Regulation der Genexpression auswirken. Aus diesem Grund bestand das Ziel dieser Arbeit darin, die Pathogenese der AMD im Kontext von Effekten auf die Regulation der Genexpression zu betrachten.
In einem ersten Ansatz wurden „expression quantitative trait loci“ (eQTLs) in Lebergewebe untersucht. Dafür wurden Genotyp- und Genexpressionsdaten von vier unabhängigen Studien in einer zusammenführenden Analyse betrachtet. Alle miteinbezogenen Studien und Proben durchliefen ein eigens hierfür entwickelten Datenverarbeitungsprotokoll, das vor allem auf die Identifikation reproduzierbarer Effekte fokussiert war. Insgesamt wurden Daten von 588 Individuen untersucht und es konnten 7.612 Gene gefunden werden, die signifikant (Q-Wert < 0,05) von genetischen Varianten reguliert werden. Bemerkenswerterweise zeigten sich 15 dieser Gene von AMD-assoziierten Varianten beeinflusst und eine vergleichende Analyse ergab, dass diese Gene vor allem in Zusammenhang mit Prozessen des angeborenen Komplementsystems und des Metabolismus von Lipoproteinen stehen.
In einem zweiten Projekt wurden die Daten der „Genotype-Tissue Expression“ (GTEx) Datenbank ausgewertet, um die initialen Untersuchungen auf eine Vielzahl an Geweben zu erweitern. GTEx beinhaltet Daten zu 48 unterschiedlichen Geweben bzw. Zelltypen, die von bis zu 500 Spendern zur Verfügung stehen. Die eQTL Analyse ermöglichte es, eine neue Hypothese bezüglich genregulatorischer Effekte in einem der am stärksten mit AMD assoziierten Loci aufzustellen. So zeigte sich, dass genetische Varianten innerhalb des ARMS2-HTRA1 Locus Gene regulieren, die sich an unterschiedlichsten Positionen des Genoms befinden und deren Genprodukte größtenteils an Immunsystem-bezogenen Prozessen teilnehmen. Zusätzlich zu den bioinformatischen Untersuchungen wurden in vitro Experimente durchgeführt, um die erarbeitete Hypothese zu valideren. In einer ersten Untersuchung wurde dazu eine Deletion innerhalb des ARMS2-HTRA1 Locus herbeigeführt und betrachtet, ob dies die Genexpression der vorhergesagten Zielgene beeinflusst. Außerdem wurde in weiteren Experimenten die Genexpression innerhalb des ARMS2-HTRA1 Locus gezielt verstärkt. Beide Ansätze konnten jedoch in den initialen Experimenten die aufgestellte Hypothese in HEK293T Zellen nicht bestätigen.
In einem weiteren Projekt wurde eine eQTL Analyse von 314 gesunden retinalen Gewebeproben durchgeführt, die von drei unabhängigen Instituten gesammelt wurden. Dabei konnten 9.733 Gene identifiziert werden, die signifikant von genetischen Varianten reguliert werden (Q-Wert < 0,05). Diese zusammenfassende Studie ermöglichte zum ersten Mal eine Analyse der Genexpressionsregulation in ausschließlich gesunden Netzhautproben. Interessanterweise zeigten jedoch nur 7 der 34 AMD-assoziierten Loci eQTL in der Retina, obwohl man davon ausgehen muss, dass dieses Gewebe ein Ort der primären/sekundären Pathologie der AMD ist.
Aus diesem Grund zielte das abschließende Projekt darauf ab, ein zusammenhängendes Bild der Genexpressionsregulation im Lichte der AMD Genetik zu erhalten. Dafür wurde eine transkriptomweite Assoziationsstudie (TWAS) durchgeführt, die die Genotypen von 16.144 AMD Patienten und von 17.832 gesunden Vergleichspersonen aus dem Datensatz des internationalen AMD Genomics Consortium (IAMDGC) miteinschloss. Für alle Proben wurde die individuelle Genexpression in 27 Geweben vorhergesagt und mit dem AMD-Status verglichen. Insgesamt konnten 106 Gene identifiziert werden, die sich in mindestens einem Gewebe mit der AMD assoziiert zeigten. Diese Analyse deckte genregulatorische Effekte in 25 der 34 AMD-assoziierten Loci auf.
Zusammengefasst zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit, dass die Regulation der Genexpression ein häufiges Phänomen in AMD-assoziierten Loci darstellt. Die Resultate verdeutlichen eine Beteiligung systemischer Prozesse, wie zum Beispiel des Komplementsystems und der Blut-Lipoproteine, an der AMD Pathogenese. Außerdem konnte die Analyse AMD-assoziierter Gene zeigen, dass diese nicht ausschließlich in der Retina, sondern häufig ubiquitär reguliert werden. So ist es wahrscheinlich, dass die zugrundeliegenden Prozesse der AMD Pathogenese im gesamten Körper ablaufen, wobei es offensichtlich fast ausschließlich zur Expression eines Phänotyps bevorzugt in der Netzhaut kommt.
Metadata last modified: 02 Aug 2021 06:33
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