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Induced pluripotent stem cells reveal causes of disease

This article is also available in Deutsch.

Researchers identify thousands of genetic variants, many of which can be linked to specific diseases

An illustration of single-cell RNA sequencing (scRNA-seq)
An illustration of single-cell RNA sequencing (scRNA-seq), a powerful analysis method that gives researchers detailed insights into levels of gene expression in individual cells. Credit: Tobias Wüstefeld/BlueClay Studios

Induced pluripotent stem cells (iPSCs) are suitable for discovering the genes that underlie complex and also rare genetic diseases. Scientists from the German Cancer Research Center (DKFZ) and the European Molecular Biology Laboratory (EMBL), together with international partners, have studied genotype–phenotype relationships in iPSCs using data from approximately 1,000 donors.

Tens of thousands of tiny genetic variations (SNPs, single-nucleotide polymorphisms) have been identified in the human genome that are associated with specific diseases. Many of these genetic variants are not located in the protein-coding regions of genes, but affect regulatory sections. Therefore, scientists are trying to find out if and in which tissues these variants can be linked to changes in the activity of specific genes.

Typically, such analyses are performed in blood cells or tissue biopsies, depending on the type of disease. “Pluripotent stem cells, however, might be better suited for this purpose in many cases, as they are undifferentiated and therefore reflect the ancestral state of all cells,” says Oliver Stegle, division head at DKFZ and a group leader at EMBL. “Stem cells could be particularly relevant when searching for the cause of diseases that occur early in development.” Pluripotent stem cells can be generated in the culture dish from normal body cells obtained from a blood sample, for example. They are referred to as induced pluripotent stem cells, or iPSCs, since they are not naturally occurring stem cells.

Together with scientists from Stanford University and additional international cooperation partners, Oliver Stegle’s team has compiled sequence and transcriptome data on iPSCs from around 1,000 donors. The researchers systematically examined these data to identify correlations between individual genetic variants and altered expression patterns in stem cells. The results have now been published in the journal Nature Genetics.

For more than 67% of all genes active in iPSCs, the researchers found differential expression patterns depending on genetic variants. Many of these associations are novel and have not been described in somatic cell types before. For over 4,000 of these associations, it was possible to link the genetic variants responsible for the altered expression patterns to specific diseases. These included, for example, variants associated with coronary heart disease, lipid metabolism disorders, or hereditary cancers.

Stegle and colleagues also investigated whether iPSCs are suitable for identifying the causative genes of rare genetic diseases. They used iPSC lines from 65 patients with various rare diseases, whose causal gene variants were already known through previous analyses. In the transcriptome data of these iPSC lines, the scientists searched for particularly conspicuous outliers in the expression pattern. These analyses reliably led them to trace the genetic basis of the disease. “Such screenings were previously impossible because there were simply no sufficiently large reference collections of iPSC transcriptomes,” explains Marc Jan Bonder, first author of the study. “We were surprised to find such a large number of disease-associated genetic variants that are already visible in the expression pattern at the earliest time point of cell differentiation, represented by the iPSCs.” Until now, the relevance of iPSCs for such biomedical analyses has been significantly underestimated.

In a companion paper published in the same issue of Nature Genetics, Stegle and colleagues from EMBL’s European Bioinformatics Institute (EMBL-EBI) and the Wellcome Sanger Institute used more than 200 iPSC lines to investigate how genetic variants affect differentiation into neuronal cells.

The scientists performed single-cell RNA sequencing at different time points of neuronal cell differentiation. This allowed them to analyse how genetic variants affect expression patterns in different cellular states, including different neuronal cell types. “The study demonstrates the power of combining single-cell sequencing with iPSC technologies to dissect the effect of genetic variants in cell types that would otherwise be inaccessible,” Stegle explains.

This article was originally published by DKFZ.


Induzierte pluripotente Stammzellen verraten Krankheitsursachen

Forscher identifizieren tausende genetische Varianten, von denen viele mit bestimmten Krankheiten in Verbindung gebracht werden können

Induzierte pluripotente Stammzellen (iPSCs) sind geeignet, um die verantwortlichen Gene zu entdecken, die komplexen und auch seltenen genetischen Erkrankungen zugrunde liegen. Dies konnten Wissenschaftler vom Deutschen Krebsforschungszentrum (DKFZ) und vom Europäischen Laboratorium für Molekularbiologie (EMBL) gemeinsam mit internationalen Partnern erstmals mit einer Untersuchung an iPSC-Zelllinien von fast tausend Spendern zeigen.

Im menschlichen Erbgut sind bis heute Zehntausende von winzigen Bauplan-Abweichungen (SNPs, single-nuceotide polymorphisms) identifiziert, die mit bestimmten Erkrankungen im Zusammenhang stehen. Viele dieser genetischen Varianten liegen nicht in den proteinkodierenden Bereichen der Gene, sondern betreffen regulatorische Abschnitte des Erbguts. Deshalb suchen Wissenschaftler, ob und in welchen Geweben diese Mini-Varianten mit Veränderungen in der Aktivität bestimmter Gene in Verbindung gebracht werden können.

Üblicherweise werden solche Analysen – je nach Art der Erkrankung – an Blutzellen oder an Gewebebiopsien durchgeführt. „Pluripotente Stammzellen könnten aber in vielen Fällen besser dafür geeignet sein, da sie undifferenziert sind und quasi den Ursprungszustand aller Zellen wiederspiegeln”, sagt Oliver Stegle, Abteilungsleiter am DKFZ und Gruppenleiter am EMBL. „Stammzellen könnten besonders relevant sein, wenn nach der Ursache von Erkrankungen gesucht wird, die bereits früh in der Entwicklung auftreten.” Pluripotente Stammzellen lassen sich in der Kulturschale aus normalen Körperzellen generieren, die beispielsweise einer Blutprobe gewonnen werden. Da es sich dabei nicht um natürlich vorliegende Stammzellen handelt, spricht man von induzierten pluripotenten Stammzellen, kurz iPSCs.

Das Team von Oliver Stegle hat zusammen mit Forschern der Stanford University und weiteren internationalen Kooperationspartnern Sequenz- sowie Transkriptomdaten von iPSCs von rund 1000 Spendern in einer Referenzdatenbank zusammengetragen. Diese Daten untersuchten die Forscher nun systematisch auf Zusammenhänge zwischen einzelnen Erbgutvarianten und veränderten Expressionsmustern in Stammzellen. Die Ergebnisse wurden nun in der Zeitschrift Nature Genetics veröffentlicht.

Bei über 67% aller Gene, die in den iPSCs aktiv sind, fanden die Forscher unterschiedliche Expressionsmuster in Abhängigkeit von genetischen Varianten. Viele dieser Zusammenhänge konnten in somatischen Körperzellen bisher noch nicht beschrieben werden. Für über 4000 dieser Assoziationen konnten die Erbgutvarianten, die für die geänderten Expressionsmuster verantwortlich sind, mit bestimmten Krankheiten in Verbindung gebracht werden. Darunter waren beispielsweise Varianten, die mit koronaren Herzerkrankungen, Fettstoffwechselstörungen oder vererbbarem Krebs in Verbindung stehen.

Die Forscher untersuchten außerdem, ob sich iPSCs dafür eignen, die ursächlichen Gene seltener genetischer Krankheiten zu identifizieren. Dazu nutzten sie iPSC-Linien von 65 Patienten, die an verschiedenen seltenen Erkrankungen litten, deren kausale Gendefekte durch vorherige Analysen bereits bekannt waren. In den Transkriptomdaten dieser iPSC-Linien fahndeten die Wissenschaftler nach besonders auffälligen ‚Ausreißern‘ im Expressionsmuster. Diese Analysen führten zuverlässig auf die Spur der genetischen Grundlage der Erkrankung. „Solche Untersuchengen waren bisher unmöglich, weil einfach keine ausreichend großen Referenzsammlungen von iPSC-Transkriptomen vorlagen,” erklärt Marc Jan Bonder, Erstautor der Studie. „Wir waren überrascht, wie viele genetische Varianten bereits zum frühesten Zeitpunkt der Zelldifferenzierung, den die iPSCs repräsentieren, im Expressionsmuster sichtbar sind.“ Bislang wurde die Relevanz der iPSCs für solche biomedizinischen Analysen deutlich unterschätzt.

In einer weiteren Arbeit, die in derselben Nature Genetics-Ausgabe veröffentlichten wurde, hat Stegle zusammen mit Kollegen am European Bioinformatics Institute (EMBL-EBI) und am Wellcome Trust Sanger Institut an über 200 iPSC-Linien untersucht, wie sich genetische Varianten auf die Ausdifferenzierung zu neuronalen Zellen auswirken. Dazu führten die Wissenschaftler zu verschiedenen Zeitpunkten der Differenzierung neuronaler Zellen RNA-Einzelzell-Sequenzierungen durch. So konnten sie analysieren, wie genetische Varianten die Expressionsmuster in unterschiedlichen Differenzierungszuständen beeinflussen. “Auch hier erwiesen sich die iPSCs als ideal, um Effekte bestimmter Genvarianten in Entwicklungsstadien von neuronalen Zellen zu identifizieren, auf die wir ansonsten keinen Zugriff hätten,” erklärt Stegle.

Dieser Artikel wurde ursprünglich vom DKFZ veröffentlicht.


Tags: disease, dkfz, gene expression, heidelberg, hinxton, phenotype, single-cell genomics, single-cell sequencing, stegle, stem cell

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