Kraniofaziale Genomik

Forschungskonzept

Die kraniofaziale Entwicklung ist ein komplexer Vorgang, der während der frühen Embryonalentwicklung zur Entstehung der Gesichts und des Schädels führt. Dabei findet eine Vielzahl aufeinander abgestimmter biologischer Prozesse statt. Obwohl die kraniofaziale Entwicklung selbst evolutionär stark konserviert ist, so führt sie auch zur Ausprägung der individuellen Gestalt des Gesichts. Unser Verständnis der an der kraniofazialen Entwicklung beteiligten Prozesse ist bisher sehr gering. Dies liegt u.a. daran, dass humanes biologisches Material aus dem entstehungsrelevanten Zeitpunkt nur sehr limitiert für biologische Untersuchungen zur Verfügung steht.

In den letzten Jahren wurden durch die Zunahme an "omics"-Technologien eine Vielzahl von kausalen Mechanismen für diverse biologische Prozesse identifiziert. Diese Studien umfassten die Kombination von groß angelegten genetischen Studien in spezifischen Kranheitstypen mit umfangreichen funktionellen Datensätzen. In Bezug auf die kraniofaziale Entwicklung konnten wir in Zusammenarbeit mit der AG Mangold bereits eine Vielzahl vorher unbekannter genetischer Risikoregionen für die nicht-syndromale Lippen-Kiefer-Gaumenspalten (nsLKG) identifizieren. Von den derzeit bekannten 39 genetischen Risikoregionen liegt die Mehrzahl in nicht-kodierenden, intergenischen Bereichen, mit unklarer biologischer Funktion. Das Ziel unserer Arbeitsgruppe ist es, die biologischen Prozesse der kraniofazialen Entwicklung und ihre Beeinflussung durch genetische Variation zu verstehen.

Zum einen sollen genetische Risikoregionen, die in kraniofazialen Phänotypen wie nsLKG eine Rolle spielen, durch Anwendung genetischer, bioinformatischer und funktioneller Methoden aufgearbeitet werden. In Zusammenarbeit mit externen Kooperationspartnern (Dr. Alvaro Rada-Iglesias, Universität zu Köln; Prof. Mike Dixon, University of Manchester; Prof. Justin Cotney, University of Conneticut) werden hierfür funktionelle Datensätze zu zB. Histonmodifikationen, Transkriptionsfaktor-Profilen und Expressionsanalysen in relevanten Geweben erzeugt. Durch die Anwendung neuester molekulargenetischer Methoden (z.B. molecular inversion probes) werden identifizierte Kandidatenregionen in großen Patienten- und Kontroll-Kohorten verschiedener Ethnizitäten sequenziert mit dem Ziel, hochpenetrante Mutationen in einzelnen Patienten zu identifizieren. Auf Kohort-Ebene werden burden-Analysen Hinweise auf signifikante Häufung seltener Varianten in Patienten, in funktionell relevanten Regionen oder verschiedenen funktionellen Pathways, liefern.

Zur funktionellen Aufarbeitung der Befunde werden in vivo Analysen im Zebrafisch-Modell durchgeführt (Kooperation mit Prof. Benjamin Odermatt, Institut für Anatomie). Dieses Tiermodell eignet sich aufgrund der kurzen Generationszeit, einer Embryonalentwicklung ex utero und einer Vielzahl an Nachkommen hervorragend für die Untersuchung von in der Embryonalentwicklung entstehenden Phäntoypen. Hierfür werden regulatorische Elemente unter Tol2-vermittelter Transposition in Einzell-Stadien Embryonen eingebracht und das Fluoreszenz-Muster bis fünf Tage nach der Befruchtung analysiert. Kandidatengene werden mittels Morpholino-knockdown oder unter Einsatz der neuen CRISPR / Cas9- Technologie untersucht.

Die von unserer Arbeitsgruppe erzielten Ergebnisse werden neue Einblicke in die der kraniofazialen Entwicklung zugrunde liegenden molekularen Mechanismen liefern. Sie tragen darüber hinaus zu einem besseren Verständnis der regulatorischen Architektur nicht-kodierender Elemente sowie deren Rolle in der embryonalen Entwicklung und in humanen Fehlbildungen bei.

Seit 01.05.2016 wird dieses Projekt von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Emmy-Noether-Nachwuchsgruppen Programms gefördert (siehe Pressemitteilung).

Beteiligte Mitarbeiter

Dr. rer. nat. Kerstin U. Ludwig Funktion: Projektleiterin Tel: 0228 - 6885 - 420 Email: [Email protection active, please enable JavaScript.]
Dr. rer. nat. Ronja Hollstein Funktion: Wissenschaftliche Mitarbeiterin Tel: 0228 - 6885 - 417 Email: [Email protection active, please enable JavaScript.]
Dr. agr. Julia Heggemann Funktion: Wissenschaftliche Mitarbeiterin Tel: 0228 - 6885 - 435 Email: [Email protection active, please enable JavaScript.]
Julia Fazaal Funktion: Technische Assistentin Tel: 0228 - 6885 - 417 Email: [Email protection active, please enable JavaScript.]
Jaqueline Laden Funktion: Medizinische Doktorandin Email: [Email protection active, please enable JavaScript.]
Abbi Miller Funktion: BTA Email: [Email protection active, please enable JavaScript.]
Katharina Ruff Funktion: Medizinische Doktorandin Tel: 0228 - 6885 - 417 Email: [Email protection active, please enable JavaScript.]
Annika Scheer Funktion: Medizinische Doktorandin Email: [Email protection active, please enable JavaScript.]
Anna Siewert Funktion: PhD-Student Tel: 0228 - 6885 - 434 Email: [Email protection active, please enable JavaScript.]
Laura Stüssel Funktion: Medizinische Doktorandin Tel: 0228 - 6885 - 417 Email: [Email protection active, please enable JavaScript.]
Frederic Thieme Funktion: PhD-Student Tel: 0228 - 6885 - 434 Email: [Email protection active, please enable JavaScript.]
Berina Zametica Funktion: WHK Tel: 0228 - 6885 - 434 Email: [Email protection active, please enable JavaScript.]
Hanna Katharina Zieger Funktion: Medizinische Doktorandin Tel: 0228 - 6885 - 434 Email: [Email protection active, please enable JavaScript.]

Pubilkationen und Pressemitteilungen

Non-Syndromic Cleft Lip with or without Cleft Palate: Genome-Wide Association Study in Europeans Identifies a Suggestive Risk Locus at 16p12.1 and Supports SH3PXD2A as a Clefting Susceptibility Gene.

Die Rolle seltener Varianten bei häufigen Krankheiten

p63 establishes epithelial enhancers at critical craniofacial development genes.

Deletions and loss-of-function variants in TP63 associated with orofacial clefting.

Evidence for DNA methylation mediating genetic liability to non-syndromic cleft lip/palate.

Investigating the shared genetics of non-syndromic cleft lip/palate and facial morphology.

Nonsyndromic cleft palate: An association study at GWAS candidate loci in a multiethnic sample.

Investigation of dominant and recessive inheritance models in genome-wide association studies data of nonsyndromic cleft lip with or without cleft palate.

MRPL53, a New Candidate Gene for Orofacial Clefting, Identified Using an eQTL Approach.

 Analysis of sequence data to identify potential risk variants for oral clefts in multiplex families.

Common variants in DLG1 locus are associated with non-syndromic cleft lip with or without cleft palate.

Candidate Genes for Nonsyndromic Cleft Palate Detected by Exome Sequencing.

Hoebel AK, Drichel D, van de Vorst M, Böhmer AC, Sivalingam S, Ishorst N, Klamt J, Gölz L, Alblas M, Maaser A, Keppler K, Zink AM, Dixon MJ, Dixon J, Hemprich A, Kruse T, Graf I, Dunsche A, Schmidt G, Daratsianos N, Nowak S, Aldhorae KA, Nöthen MM, Knapp M, Thiele H, Gilissen C, Reutter H, Hoischen A, Mangold E, Ludwig KU.

The role of noncoding genetic variation in isolated orofacial clefts.

Thieme F & Ludwig KU.

Genome-wide analyses of non-syndromic cleft lip with palate identify 14 novel loci and genetic heterogeneity.

Yu Y, Zuo X, He M, Gao J, Fu Y, Qin C, Meng L, Wang W, Song Y, Cheng Y, Zhou F, Chen G, Zheng X, Wang X, Liang B, Zhu Z, Fu X, Sheng Y, Hao J, Liu Z, Yan H, Mangold E, Ruczinski I, Liu J, Marazita ML, Ludwig KU, Beaty TH, Zhang X, Sun L, Bian Z.

Imputation of Orofacial Clefting Data Identifies Novel Risk Loci and Sheds Light on the Genetic Background of Cleft Lip ± Cleft Palate and Cleft Palate Only.

Meta-analysis reveals genome-wide significance at 15q13 for nonsyndromic clefting of both the lip and the palate, and functional analyses implicate GREM1 as plausible causative gene.

Ludwig KU, Ahmed ST, Böhmer AC, Sangani NB, Varghese S, Klamt J, Schuenke H, Gültepe P, Hofmann A, Rubini M, Aldhorae KA, Steegers-Theunissen RP, Rojas-Martinez A, Reiter R, Borck G, Knapp M, Nakatomi M, Graf D, Mangold E, Peters H. ,

PLoS Genetics 2016: 12(3):e1005914

Sequencing the GRHL3 coding region reveals rare truncating mutations and a common susceptibility variant for nonsyndromic cleft palate.

Mangold E, Böhmer AC, Ishorst N, Hoebel A-K, Gültepe P, Schuenke H, Klamt J, Hofmann A, Gölz L, Raff R, Tessmann P, Nowak S, Reutter H, Hemprich A, Kreusch T, Kramer F-J, Braumann B, Reich R, Schmidt G, Jäger A, Reiter R, Brosch S, Stavusis J, Ishida M, Seselgyte R, Moore GE, Nöthen MN, Borck G, Aldhorae KA, Lace B, Stanier P, Knapp M, Ludwig KU

Am J Hum Gen 2016: 98:755-62

Genome-wide analysis of parent-of-origin effects in non-syndromic orofacial clefts.

Garg P*, Ludwig KU*, Böhmer AC, Rubini M, Steegers-Theunissen R, Mossey PA, Mangold E, Sharp AJ

Eur J Hum Genet 2014: 22:822-30

Genome-wide meta-analyses of nonsyndromic cleft lip with or without cleft palate identify six new risk loci.

Ludwig KU*, Mangold E*, Herms S, Nowak S, Reutter H, Paul A, Becker J, Herberz R, AlChawa T, Nasser E, Böhmer AC, Mattheisen M, Alblas MA, Barth S, Kluck N, Lauster C, Braumann B, Reich RH, Hemprich A, Pötzsch S, Blaumeiser B, Daratsianos N, Kreusch T, Murray JC, Marazita ML, Ruczinski I, Scott AF, Beaty TH, Kramer F-J, Wienker TF, Steegers-Theunissen RP, Rubini M, Mossey PA, Hoffmann P, Lange C, Cichon S, Propping P, Knapp M*, Nöthen MM*

Nat Genet 2012: 44(9):968-71.

Breakthroughs in the Genetics of orofacial clefting.

Mangold E, Ludwig KU, Nöthen MM

Trends Mol Med 2011: 17(12):725-733. Review.

FAF1, a gene that is disrupted in cleft palate and has conserved function in zebrafish.

Ghassibe-Sabbagh M, Desmyter L, Langenberg T, Claes F, Boute O, Bayet B, Pellerin P, Hermans K, Backx L, Mansilla MA, Imoehl S, Nowak S, Ludwig KU, Baluardo C, Ferrian M, Mossey P, Nöthen M,  Dewerchin M, François G, Revencu N, Vanwijck R, Hecht J, Mangold E, Murray J, Rubini M, Vermeesch JR, Poirel HA, Carmeliet P, Vikkula M

Am J Hum Genet 2011: 88(2):150-161.

Genome-wide association study identifies new susceptibility loci for non-syndromic cleft lip with or without cleft palate.

Mangold E*, Ludwig KU*, Birnbaum S*, Baluardo C, Ferrian M, Herms S, Reutter H, Almeida de Assis N, Al Chawa T, Mattheisen M, Steffens M, Barth S, Kluck N, Paul A, Becker J, Lauster C, Schmidt G, Braumann B, Scheer M, Reich RH, Hemprich A, Pötzsch S, Blaumeiser B, Moebus S, Krawczak M, Schreiber S, Meitinger T, Wichmann E, Steegers-Theunissen RP, Kramer F-J, Cichon S, Propping P, Wienker TF, Knapp M, Rubini M, Mossey PA, Hoffmann P, Nöthen MM

Nat Genet 2010: 42(1):24–26.

Key susceptibility locus for nonsyndromic cleft lip with or without cleft palate on chromosome 8q24.

Birnbaum S*, Ludwig KU*, Reutter H, Herms S, Steffens M, Rubini M, Baluardo C, Ferrian M, Almeida de Assis N, Alblas MA, Barth S, Freudenberg J, Lauster C, Schmidt G, Scheer M, Braumann B, Bergé SJ, Reich RH, Schiefke F, Hemprich A, Pötzsch S, Steegers-Theunissen RP, Pötzsch B, Moebus S, Horsthemke B, Kramer F-J, Wienker TF, Mossey PA, Propping P, Cichon S, Hoffmann P, Knapp M, Nöthen MM*, Mangold E*

Nat Genet 2009: 41(4):473–477.