Linkage Disequilibrium and Transmission Distortion Affecting Human Chromosome 6P
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Linkage Disequilibrium and Transmission Distortion Affecting Human Chromosome 6p Dissertation zur Erlangung des Grades des Doktors der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.) eingereicht am Fachbereich Biologie, Chemie, Pharmazie der Freien Universität Berlin vorgelegt von Pablo Sandro Carvalho Santos aus Brasília Februar 2010 Diese Dissertation entspricht der zwischen Februar 2006 und Februar 2010 im Institut für Immungenetik, Charité – Universitätsmedizin Berlin, unter Betreuung von Prof. Dr. rer. nat. Andreas Ziegler sowie von Dr. rer. nat. Barbara Uchanska-Ziegler durchgeführten Forschungsarbeit. This thesis is based on research conducted between February 2006 and February 2010 at the Institut für Immungenetik, Charité – Universitätsmedizin Berlin, in Berlin, Germany, under supervision of Prof. Dr. rer. nat. Andreas Ziegler and Dr. rer. nat. Barbara Uchanska-Ziegler. Gutachter Erster Gutachter: Prof. Dr. Andreas Ziegler Institut für Immungenetik Charité-Universitätsmedizin Berlin Freie Universität Berlin Zweiter Gutachter: Prof. Dr. Heribert Hofer Institut für Zoo- und Wildtierforschung (IZW) im Forschungsverbund Berlin e.V. Fachbereich Veterinärmedizin Freie Universität Berlin Tag der Disputation: 9.9.2010 Erklärung Ich erkläre hiermit, dass ich die vorliegende Arbeit selbständig und ohne unzulässige Hilfe oder Benutzung anderer als der angegebenen Hilfsmittel angefertigt habe. Die vorliegende Arbeit wurde weder im In- noch im Ausland in gleicher oder ähnlicher Form einer anderen Prüfungsbehörde zum Zweck einer Promotion oder eines anderen Prüfungsverfahrens vorgelegt. Alles aus anderen Quellen und von anderen Personen übernommene Material, das in der Arbeit verwendet wurde oder auf das direkt Bezug genommen wird, wurde als solches gekennzeichnet. Berlin, den 9. Februar 2010 Pablo Sandro Carvalho Santos 2 Danksagung, Acknowledgements, Agradecimentos An erster Stelle möchte ich mich bei meinem Betreuer Prof. Andreas Ziegler bedanken. Ich bedanke mich bei Ihnen, dass Sie mir in der Nacht des 14. August 2005 auf meine allererste Email, die ich aus Curitiba mit vielen Rechtschreibfehlern verfasst habe, antworteten, und damit den Anfang dieser Doktorarbeit bereiteten. In den vier Jahren hätte ich mir keine bessere Betreuung wünschen können. Durch Sie habe ich mich zum Beispiel für die t-Haplotypen begeistern lassen. Es war jedoch viel mehr als nur eine wissenschaftliche Betreuung und hat mir überdies auch auch viel Freude bereitet. Mittlerweile kann ich mich in der deutschen Sprache besser ausdrücken, und auch dafür muss ich mich bei Ihnen bedanken. Ich möchte mich auch bei Frau Dr. Uchanska-Ziegler bedanken. Die Zeit mit Ihnen wird mir in guter Erinnerung bleiben. Ihre Kreativität hat mir so manches Mal neue Wege eröffnet, und wird mich auch in meiner professionellen und persönlichen Zukunft weiterhin begleiten. Ich danke Ihnen für die vielen guten Ideen, die Liebenswürdigkeit und Ihre Betreuung. Die Freiheit, die ich im Institut für Immungenetik hatte, war für diese Arbeit ausschlaggebend. Herzlich bedanke ich mich auch bei Euch, den Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern des Instituts für Immungenetik, Angelika Zank (Du warst ein Engel für mich), Christina Schnick, Hans Huser, Rolf Misselwitz, Caroline Backhaus und Alexander Ziegler, für Eure Freundschaft und Kompetenz. Dem Berliner Senat bin ich für die finanzielle Unterstützung durch das NaFöG Stipendium zu Dank verpflichtet. In besonderer Weise, möchte ich hiermit die ewige Dankbarkeit, die ich der Berliner Krebsgesellschaft e.V. schuldig bin, ausdrücken. Für das keineswegs selbstverständliche Vertrauen und die finanzielle Unterstützung, möchte ich mich herzlich bedanken, insbesondere bei Frau Dr. Barbara Fey. I am very thankful to the LIGH staff in Curitiba, Brazil, especially Rafael Vargas, Fernanda Ribas, Fabiana Poerner, Prof. Juarez Gabardo and my dear Prof. Maria da Graça Bicalho. My dear Chee Seng Hee, Pravin Kumar and Thomas Kellermann, you have often been a light for me in these gray winter days of Berlin. I thank you for teaching me so much, and for your friendship. I feel lucky and grateful to have shared this PhD time with the three of you. I am thankful to my co-authors George Füst, Zoltán Prohászka, Roger Horton, Chack- Yung Yu, Stephan Beck, Peter Schlattmann, Inke König, Andreas Ziegler (in Lübeck), Carolina Sens-Abuázar, Maria Luiza Petzl-Erler, Valéria Sperandio-Roxo, Fabiana Poerner 3 and Clineu Julien Seki Uehara, with special mention to Armin Volz, Johannes Höhne, and Marcos Miretti, for your cooperation and kindness. Danke an meine kleine Familie Katrin Krschak, Tales Alessandro, Annalisa Scozzari, Paola Gisela, Maria Alzira, Érgio Messias: ihr habt mir alles gegeben. Vocês me deram e são tudo o que eu tenho. Milan, você é o meu pequeno sol, um sol que completa hoje 9 anos! Worte sind zu wenig, auch die 32.660 dieser Arbeit. I am eternally thankful to my dearest friends spread through this and other planets, for your love: Renata Oliveira de Souza, Rebeca und Bruna Pupatto Ruano, Jana Kruspe, Ulrike Vetter, Nora Rother, Nastasia Hase, Gabriel Nogueira, Maíra Tito, und die kleinen Levin, Kolja und Joschka aus der Lehrter Kommune. Sandra Kulik, for being a special chapter in my life, and for having taught me so many important things beyond genetics. Esta tese não teria sido escrita sem o amor de vocês – this thesis would not have been written without your support and love. I also wish to thank all the colleagues at Metrinomics GmbH, und alle im Platzhirsch AG, for being so kind to me, and for being there. Finally, from far away, you have accompanied me through these four years as well, giving me inspiration to look at the beauty of this world: Ms. Chan Marshall, Ms. Jenny Lou Ziegel, and Mr. Leonard Cohen. Even if this is allegedly the most widely read part of a PhD thesis, I do encourage you all to dedicate some time to the next chapters. It took me four years to write it, and it is an interesting work, in my opinion. Thank you all. 4 Zusammenfassung Sowohl die jüngste Entwicklung neuer Technologien für die Hochdurchsatzsequenzierung und -genotypisierung von Organismen als auch die Erzeugung neuer Werkzeuge für großflächige genomische Analysen, die in letzter Zeit von verschiedenen Forschungsinstituten weltweit zur Verfügung gestellt wurden, haben die Art der Fragestellungen in den verschiedenen Arbeitsfeldern der Genetik stark beeinflußt. Die vorliegende Arbeit ist ein Beispiel für die Nutzung dieser Ressourcen in Verbindung mit traditionellen Labormethoden, um sich zwei Themenfeldern in den Bereichen Immun- und Populationsgenetik zu nähern: einerseits den mit dem Haupthistokompatibilitätskomplex gekoppelten Geruchsrezeptorgenen (aus dem Englischen, major histocompatibility complex-linked olfactory receptor genes, MHC-linked OR), und andererseits dem Phänomen der Allelweitergabedistorsion (transmission distortion, TD). Das Konzept des Kopplungsungleichgewichts (linkage disequilibrium, LD) ist für die Diskussion beider Themenfelder grundlegend. Mit Bezug auf die MHC-OR Gene präsentiert diese Arbeit eine detaillierte Beschreibung des LD Profils innerhalb der OR Gene sowie zwischen ihnen und dem MHC. Durch Analyse der OR Polymorphismen und konservierter MHC-Haplotypen sowie der Genotypisierung einer Kohorte von Raucherinnen und Nichtraucherinnen konnten wir den Zusammenhang zwischen einem OR Polymorphismus und dem Rauchverhalten europäischstämmiger Frauen beschreiben. Wir schilderten genotypische und phänotypische Variationen der MHC-OR Gene bei achtzehn menschlichen Zelllinien, indem wir neue Polymorphismen und OR Allele bestimmten, und damit die Grundlage für die Einschätzung der funktionalen Partizipation von MHC-linked OR bei der Partnerwahl schufen. Darüber hinaus führten wir einen chromosomalen und phylogenetischen Vergleich von MHC-OR Genen bei vierzehn Wirbeltierspezien durch und konnten Schlussfolgerungen über die phylogenetische Geschichte der Genfamilien und Tierarten ziehen. Bezüglich TD konnten wir dieses Phänomen durch eine reine in silico-analyse in einer Region des menschlichen Chromosoms 6p ermitteln, welche die Transkriptionsfaktorgene SUPT3H (suppressor of Ty 3 homolog), RUNX2 (runt-related transcription factor 2) sowie mikro RNA MIR586 beherbergt. In einer anschließenden Untersuchung, in der wir eine große unabhängige südamerikanische Kohorte genotypisierten, konnten wir die Anwesenheit von TD in diesem chromosomalen Segment, zumindest bei europäischstämmigen Populationen, bestätigen. Aufgrund der hohen Bedeutung von RUNX2 (und den entsprechenden 5 Proteinisoformen) haben unsere Erkenntnisse Auswirkungen auf die Interpretation einer Reihe von früheren Studien, die dieses Gen mit verschiedenen Phänotypen wie Krebs, Knochendichte und Entwicklungsstörungen in Verbindung brachten. Diese Ergebnisse wurden in elektronischen Dateien für den Internet-basierenden Genome Browser des HapMap Projekts zusammengestellt, um sie im genomischen Kontext sichtbar werden zu lassen und folglich einen ersten Schritt in Richtung einer genomweiten TD Ressource zu unternehmen. Zusätzlich fanden wir heraus, dass TD mit LD korrespondiert und stellten die Hypothese auf, TD könnte die LD „Landschaft“ des Genoms aktiv gestalten. Schließlich weisen unsere Ergebnisse auf ein potenzielles technisches Problem mit der Datenbank des HapMap Projektes hin, das wir vorschlugen bei zukünftigen Erweiterungen der Datenbank zu berücksichtigen. Summary The recent development of new technologies for high throughput sequencing and genotyping of organisms and individuals, as well