Stammzellanalysen könnten zeigen, wie zusätzliche Dosen einiger Gene zu den Merkmalen führen, die bei Männern beobachtet werden, die mit einem oder mehreren überschüssigen X-Chromosomen geboren wurden.
Einer von 500 bis 1.000 Männern wird mit einem oder mehreren zusätzlichen X-Chromosomen geboren, was mit jedem zusätzlichen Chromosom zu einer Vielzahl fortschreitender Symptome führt, darunter Unfruchtbarkeit, vergrößerte Brüste, Osteoporose, Diabetes, Herzanomalien, geistige Behinderung und Krebs. Jetzt haben KAUST-Wissenschaftler Stammzellen verwendet, die von Menschen mit dieser Krankheit umprogrammiert wurden, um besser zu verstehen, wie sie sich entwickelt.
Als Mann geborene Menschen haben typischerweise ein X- und ein Y-Chromosom, während Frauen zwei X-Chromosomen haben. Eines der beiden X-Chromosomen bei Frauen ist normalerweise inaktiviert, mit Ausnahme einer kleinen Anzahl von „Flucht“-Genen. X-Inaktivierung tritt auch bei Männern auf, die mit einem (Klinefelter-Syndrom) oder mehreren (höhergradige Geschlechtschromosomen-Aneuploidien oder HGAs) zusätzlichen X-Chromosomen geboren wurden. Aber das lässt immer noch die zusätzlichen Escape-Gene.
„Wissenschaftler haben sich nie darauf konzentriert, welche Gene für die Fülle von Merkmalen beim Klinefelter-Syndrom und HGAs verantwortlich sind“, sagt die Forscherin Veronica Astro.
„Wir haben die größte Kohorte von induzierten pluripotenten Stammzellen erzeugt, die von Fibroblasten von Patienten stammen, um die Auswirkungen von zusätzlichen Kopien des X-Chromosoms bei Männern zu untersuchen“, erklärt Astro. „Wir nutzten auch die Spitzentechnologien von KAUST, um die Genexpression zwischen diesen und gesunden Stammzellen zu vergleichen und die Gene zu identifizieren, die bei dieser genetischen Erkrankung abweichend exprimiert werden.“
Die Forscher zeigten, dass die meisten Escape-Gene in einer Region des kurzen Arms des X-Chromosoms gefunden wurden, die als pseudoautosomale Region 1 (PAR1) bezeichnet wird. Elf wurden mit jedem zusätzlichen X-Chromosom mit fortschreitender Schwere der Symptome in Verbindung gebracht. Diese Gene blieben weitgehend aktiv, als die Forscher die Stammzellen so programmierten, dass sie sich zu Prä-Leber- und Prä-Pankreas-Zellen entwickeln. Ihre Aktivität war dosisabhängig: Sie stieg mit zunehmender Anzahl von X-Chromosomen in den Zellen.
Um ihre Stammzellen weiter zu testen, untersuchten die Forscher auch Unterschiede in Genregulatoren, den sogenannten Transkriptionsfaktoren, und stellten fest, dass ein Protein namens Kernatmungsfaktor 1 (NRF1) in den Stammzellen mit zusätzlichen X-Chromosomen überexprimiert wurde, mit Auswirkungen auf ein Gen namens Zinkfinger Protein X-gebunden (ZFX).
„Wichtig ist, dass wir die erste jemals beschriebene zelluläre Plattform induzierter pluripotenter Stammzellen mit verschiedenen Graden von Aneuploidien des X-Chromosoms erzeugt haben, die genutzt werden können, um die Folgen einer Genüberdosierung in der frühen Embryogenese zu untersuchen“, sagt der Biowissenschaftler Antonio Adamo, der die Studie leitete.
Weitere Bemühungen sollten dazu beitragen, die Mechanismen hinter den Merkmalen aufzudecken, die bei Menschen mit Klinefelter-Syndrom und HGAs beobachtet werden. Die Stammzellenplattform könnte auch zum Screening von Medikamenten zur Behandlung dieser Erkrankungen verwendet werden.
Adamos Team differenziert nun induzierte pluripotente Stammzellen mit unterschiedlich stark ausgeprägten X-Chromosomen-Aneuploidien in krankheitsrelevante Zelltypen – wie Nerven-, Herz-, Bauchspeicheldrüsen- und Samenzellen – um zu untersuchen, wie sich zusätzliche X-Chromosomen auf verschiedene Gewebe auswirken.
Veronica Astro et al., Pseudoautosomale Region 1-Überdosierung beeinflusst das globale Transkriptom in iPSCs von Patienten mit Klinefelter-Syndrom und hochgradigen X-Chromosom-Aneuploidien, Grenzen in der Zell- und Entwicklungsbiologie (2022). DOI: 10.3389/fcell.2021.801597