Francis Collins, M.D., Ph.D.
Dr. Collins‘ Labor versucht, die Funktion von Genen zu identifizieren und zu verstehen, die an einer Reihe von seltenen und häufigen menschlichen Krankheiten beteiligt sind, mit dem Ziel, neue therapeutische Möglichkeiten zu finden.
Eines der wichtigsten Projekte des Labors konzentriert sich auf das Hutchinson-Gilford-Progerie-Syndrom (HGPS), eine seltene genetische Störung, die durch vorzeitige Alterung gekennzeichnet ist. HGPS-Patienten sterben in der Regel im Teenageralter an kardiovaskulären Komplikationen. Die Gruppe von Dr. Collins entdeckte, dass eine Punktmutation im Lamin-A-Gen (LMNA) einen kryptischen Spleißspender aktiviert, was zu einer Verkürzung der normalen Version des kodierten Proteins um 50 Aminosäuren in der Nähe des C-Terminus führt – dieses Protein wurde „Progerin“ genannt. Diese strukturellen Defekte verschlimmern sich, wenn HGPS-Zellen in der Kultur altern, und die Einführung von Progerin in normale Zellen führt zu den gleichen Veränderungen. Zellbiologische Analysen deuten darauf hin, dass Progerin den normalen Prozess der Mitose stört. Untersuchungen normaler menschlicher Fibroblasten haben gezeigt, dass in normalen Zellpopulationen geringe Mengen von Progerin vorhanden sind, deren Menge zunimmt, wenn sich die Zellen der Seneszenz nähern. Die Verschiebung des LMNA-Spleißmusters zur Bildung von Progerin wird offenbar durch verkürzte Telomere ausgelöst. Die Untersuchung dieser seltenen Krankheit kann daher wertvolle Einblicke in den Prozess des normalen Alterns liefern.
Das Lamin A-Protein ist normalerweise an seinem C-Terminus farnesyliert, was offenbar dazu beiträgt, das Prälamin an der inneren Oberfläche der Kernmembran zu fixieren. Eine anschließende Protease-Spaltung setzt dieses C-terminale Fragment frei und ermöglicht es Lamin A, sich mit anderen Proteinen in dem Gerüst zu verbinden, das direkt unter der Kernmembran liegt. Progerin ist korrekt farnesyliert, kann aber nicht gespalten werden, so dass es dauerhaft in der Kernmembran verankert ist, andere Proteine abschirmt und als dominantes Negativ fungiert. Diese Beobachtungen führten zu der Hypothese, dass Farnesyltransferase-Inhibitoren (FTIs) bei der Behandlung von Progerie von Nutzen sein könnten, und Zellkulturexperimente zeigten, dass FTIs die in HGPS-Zellen beobachteten Anomalien der Kernform deutlich verbessern können.
Da sich die meisten Progerie-Patienten in einem äußerst schwachen Gesundheitszustand befinden, gibt es nur wenige Möglichkeiten, Versuche mit potenziellen Therapien am Menschen durchzuführen. Die Gruppe von Dr. Collins entwickelte ein Tiermodell der Progerie, indem sie die menschliche LMNA so umgestaltete, dass sie die HGPS-Mutation trägt, und sie in die Keimbahn einer Maus einfügte. Die Maus zeigt eine fortschreitende kardiovaskuläre Erkrankung, die der bei HGPS-Patienten beobachteten Erkrankung sehr ähnlich ist. Insbesondere zeigen diese Mäuse einen fortschreitenden Verlust von glatten Gefäßmuskelzellen in der Mitte ihrer großen Arterien. Unter Verwendung des Mausmodells als Ressource für das Screening potenzieller Therapien konnte das Collins-Labor zeigen, dass die Behandlung mit FTI nicht nur den Ausbruch der kardiovaskulären Erkrankung bei jungen Mäusen verhindert, sondern auch das Fortschreiten der kardiovaskulären Defekte bei der Behandlung älterer Mäuse verringert. Diese Forschungsarbeiten ergänzten andere Daten zur Unterstützung eines klinischen Versuchs, bei dem HGPS-Patienten FTIs verabreicht wurden, was nachweislich zu einer Verbesserung des kardiovaskulären Zustands führte.
Zu den neueren Arbeiten im Rahmen des HGPS-Projekts gehört die Entdeckung, dass Rapamycin durch die Stimulierung der autophagischen Beseitigung von Progerin-Komplexen von Nutzen sein kann. Das Labor arbeitet außerdem langfristig daran, eine Maus zu erzeugen, die kein Progerin produzieren kann, um festzustellen, ob das Fehlen von Progerin zu einer höheren Lebenserwartung führt.Das andere wichtige Projekt im Collins-Labor ist die komplexe, weit verbreitete, nicht-mendelsche Krankheit, die als Typ-2-Diabetes (T2D) bekannt ist. Im Rahmen einer langfristigen Zusammenarbeit mit Forschern des finnischen Nationalen Instituts für öffentliche Gesundheit, der Universität von Michigan, der Universität von Südkalifornien und der Universität von North Carolina, die als FUSION-Projekt bekannt ist, untersuchen Dr. Collins und seine Mitarbeiter über 30 000 Personen, um Anfälligkeitsfaktoren für T2D zu ermitteln. Das FUSION-Projekt begann mit Linkage-Studien an betroffenen Geschwisterpaaren und ging dann zur Durchführung genomweiter Assoziationsstudien (GWAS) über und ist inzwischen ein integraler Bestandteil mehrerer weltweiter GWAS-Konsortien, die T2D und quantitative Merkmale untersuchen. Bis heute haben diese Konsortien über 80 Anfälligkeitsloci für T2D und Hunderte von Loci identifiziert, die sich auf quantitative Glukose-, BMI- und Lipidmerkmale auswirken.
Viele dieser Varianten sind mit einer gestörten Insulinsekretion oder -verarbeitung verbunden, und die überwiegende Mehrheit befindet sich in nicht kodierenden Teilen des Genoms. Diese Daten deuten darauf hin, dass eine veränderte regulatorische Funktion in der Bauchspeicheldrüseninsel eine wichtige Rolle in der T2D-Pathophysiologie spielen könnte. Mithilfe der ChIP-seq-Technologie hat das Collins-Labor wichtige Merkmale des menschlichen Insel-Epigenoms definiert und regulatorische Elemente identifiziert, die für eine normale Inselfunktion notwendig sind. Von großem Interesse ist, dass die durch GWAS identifizierten T2D-Anfälligkeitsallele bevorzugt in inselspezifischen Enhancern liegen, insbesondere in gewebespezifischen Enhancern mit mehreren Kilobasen, die das Labor „Stretch-Enhancer“ genannt hat.
Ein wichtiges neues Projekt der FUSION-Studie ist die Analyse des Genotyps (durch Sequenzierung des gesamten Genoms), der DNA-Methylierung (durch Bisulfit-Sequenzierung), der Genexpression (durch RNA-seq) und des Phänotyps bei mehr als 300 Personen mit verschiedenen Stoffwechselzuständen, von denen Muskel- und Fettbiopsien entnommen wurden. Die Charakterisierung des gesamten Repertoires menschlicher funktioneller genomischer Elemente in Inseln, Muskeln und Fettgewebe sollte entscheidende Einblicke in die molekularen Mechanismen liefern, die an der Anfälligkeit für Diabetes beteiligt sind.