Du, Juanjiangmeng (2016). An Integrative Genomic Study of Dupuytren's Disease. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Dupuytren's Disease (DD) is a fibromatosis in the palmar connective tissue that leads to flexion contractures of fingers. DD has a strong genetic component with an estimated heritability of about 80%. A previous collaborative genome-wide association study (GWAS) has mapped 9 susceptibility loci that were shown to contribute to the increased risk of DD. However, these loci together can only explain a small fraction of heritability. Moreover, the respective genes and functional variants underlying DD remained unclear. Therefore, the present study aims to systematically investigate the genetic architecture of DD at different levels by: i) identifying functional variants contributing to a strong GWAS association signal at a DD risk locus, ii) prioritizing DD phenotype-related genes with rare variant burdens, and iii) characterizing the transcriptional deregulation in DD. An intervall on chromosome 7, 7p14.1, tagged by rs16879765 (G>A), which was most significantly associated with DD in the previous GWAS, has been identified as a DD susceptibility locus. Therefore, we first used a target-enrichment strategy coupled with next generation sequencing (targeted NGS) to assess a 500kb region at 7p14.1. A rare non-synonymous variant, rs149095633 (p.P121L, on haplotypes tagged by the rs16879765*A risk allele), and a common eQTL candidate, rs2044831 (in moderate linkage disequilibrium with rs16879765), were identified in EPDR1, a functional candidate gene contributing to the contractile phenotype of DD primary cells. Second, we performed a pilot whole exome sequencing (WES) study in 50 DD patients with suspected high genetic predisposition and prioritized candidate genes with rare variant burden. 3919 rare coding variants were predicted to be deleterious. 1774 genes with gene burden greater than 2 were filtered for suitable phenotype classes and palmar expression according to Human Phenotype Ontology and the gene intolerance score EvolTol. As a result, 12 genes were prioritized as DD candidate genes with potentially pathogenic rare variants. In particular, 6 of these genes were suggested as functionally important for DD development. Third, we carried out an elaborate transcriptome study in 50 DD/control biopsy samples by RNAseq. By pathway perturbation analysis using gene expression profiles, the Hippo signaling pathway was suggested as a key mechanotransdution pathway to prepare the profibrotic microenvironment in DD. The TGFβ pathway and ECM-receptor interactions were predicted as pathways essential for tissue fibrosis. Moreover, by alternative splicing (AS) analysis, DD tissue was suggested to harbor distinctive isoform profiles and isoform usage, which might provide a mechanism for cells in disease tissue to adapt to fibrosis and further promote fibrosis progression. In summary, this study characterized for the first time a GWAS risk locus for DD and provided an approach for identifying functional variants for DD in the post-GWAS era. The exploratory prioritization of DD-related candidate genes supported the assumption that rare variants can contribute to the development of the disease and nominated candidate genes for follow-up studies. Furthermore, this study proposed key physiological pathways involved in transcriptional regulation of DD and gave a first insight into disease tissue-specific AS and possible AS regulation mechanisms. Overall, our study represents a first step in integrating various genomic approaches to elucidate the mechanistic links between the genetic predisposition and the development of DD.

Item Type: Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:
AbstractLanguage
Morbus Dupuytren (DD) ist eine Fibromatose des palmaren Bindegewebes, die zu Flexionskontrakturen der Finger führt. DD hat eine starke genetische Komponente mit einer geschätzten Erblichkeit von etwa 80%. Eine frühere kollaborative genom-weite Assoziationsstudie (GWAS) identifizierte 9 Suszeptibilitäts-Loci, die zu einem erhöhten Risiko für DD beitragen. Allerdings können diese Loci zusammen nur einen Bruchteil der Erblichkeit erklären. Die spezifischen Gene und funktionellen Varianten für DD blieben hier unklar. Ziel der vorliegenden Forschungsarbeit ist es daher, die zugrunde liegende genetische Architektur von DD auf verschiedenen Ebenen systematisch zu untersuchen: i) Identifizierung von funktionellen Varianten, die zu einem starken GWAS-Assoziationssignal an einem DD-Risiko-Locus führen, ii) Priorisierung von Genen mit seltenen Varianten, die mit dem DD-Phänotyp funktionell in Verbindung gebracht werden können, und iii) Charakterisierung der transkriptionellen Deregulation in DD. Ein Intervall auf Chromosom 7, am 7p14.1, in dem sich der Einzelnukleotid-Polymorphismus (SNP) rs16879765 (G>A) mit der stärksten signifikanten Assoziation mit DD in der genannten GWAS befindet, wurde als DD-Suszeptibilitäts-Locus identifiziert. Zuerst haben wir daher eine gezielte Anreicherungsstrategie mit anschließender NGS sequenzierung mittels (targeted NGS) verfolgt, um eine Region von 500 kb an dem Locus auf 7p14.1 zu untersuchen. Eine seltene aminosäure-ändernde Variante, rs149095633 (p.P121L, auf Haplotypen durch das rs16879765*A Risiko-Allel markiert), und ein häufiger eQTL-Kandidat, rs2044831 (in mäßigem Kopplungsungleichgewicht (LD) mit rs16879765), wurden in EPDR1 identifiziert, einem funktionellen Kandidatengen, das am kontraktilen Phänotyp der DD-Primärzellen beteiligt ist. Zweitens führten wir eine Pilotstudie zur Exomsequenzierung (WES) bei 50 DD-Patienten mit mutmaßlich ausgeprägter genetischer Prädisposition durch und priorisierten Kandidatengene mit seltenen Varianten. 3919 seltene kodierende Varianten wurden als nachteilig vorhergesagt. 1774 Gene mit mehr als 2 Varianten wurden mit „Human Phenotype Ontology“ und „Gene Intolerance Score EvolTol“ nach geeigneten Phänotyp-Kategorien und palmarer Expression gefiltert. Als Ergebnis wurden 12 Gene als DD-Kandidatengene mit potenziell pathogenen seltenen Varianten priorisiert. Insbesondere wurden 6 davon als funktionell wichtige Gene für die DD-Entwicklung eingestuft. Drittens führten wir eine umfassende Transkriptomstudie durch RNA-Sequenzierung in 50 DD-/Kontroll-Biopsieproben durch. Unter Verwendung von Genexpressionsprofilen wurde durch eine Perturbationsanalyse der Hippo-Signalweg als ein Schlüsselmechanotransduktionsweg vorgeschlagen, der die profibrotische Mikroumgebung in DD vorbereitet. Der TGFβ-Signalweg und ECM-Rezeptor-Wechselwirkungen wurden als essenziell für die Gewebefibrose vorhergesagt. Darüber hinaus wurden durch die Analyse von alternativem Splicing (AS) charakteristische Isoformprofile und Isoformverwendungen in DD-Gewebe gefunden. Diese Isoformen könnten an einem Mechanismus beteiligt sein, mit dem sich Zellen in betroffenem Gewebe an Fibrose anpassen und die Fibroseprogression weiter fördern. Zusammengefasst charakterisiert diese Studie erstmals einen GWAS-Risikolocus für DD und bietet einen Ansatz für die Identifizierung funktioneller Varianten für DD im Post-GWAS-Zeitalter. Die explorative Priorisierung von DD-assoziierten Kandidatengenen unterstützt die Annahme, dass seltene Varianten einen Beitrag zur Entwicklung der Krankheit leisten, und benennt Kandidatengene für Folgestudien. Zudem liefert diese Studie neue Anhaltspunkte für einen Zusammenhang zwischen wichtigen physiologischen Pfaden und der transkriptionellen Regulation von DD und bietet einen ersten Einblick in spezifisches AS in betroffenem Gewebe und die damit verbundenen AS-Regulationsmechanismen. Unsere Studie stellt einen ersten Schritt zur Integration versoliedener genomischer Ansätze mit dem Ziel dar, um die mechanistischen Verbindungen zwischen der genetischer Prädisposition und der Ausprägung von DD aufzuklären.German
Creators:
CreatorsEmailORCID
Du, Juanjiangmengj.du@uni-koeln.deUNSPECIFIED
URN: urn:nbn:de:hbz:38-79633
Subjects: Life sciences
Uncontrolled Keywords:
KeywordsLanguage
GenomicEnglish
GeneticsEnglish
Connective tissueEnglish
Faculty: Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions: Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Institute for Genetics
Language: English
Date: November 2016
Date of oral exam: 18 January 2017
Referee:
NameAcademic Title
Nürnberg, PeterProf. Dr.
Noegel, Angelika AnnaProf. Dr.
Werr, WolfgangProf. Dr.
Refereed: Yes
URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/7963

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