AG Schäfer „Molekulargenetik Oraler Entzündungskrankheiten"

Forschungsthema

Genomweite Assoziationsstudien (GWAS) und Exom-Sequenzierungen bieten einen hypothesenfreien und sehr systematischen Ansatz um genetische Varianten in der Erbinformation (DNA) zu identifizieren, die zu einem erhöhten Krankheitsrisiko beitragen. 
Bei GWAS wird die Häufigkeit von Millionen von Unterschieden in der DNA-Sequenz zwischen tausenden von Patienten und gesunden Kontrollen verglichen. Durch diese Vergleiche werden z.B. Bausteine der Erbinformation identifiziert, welche bei Patientengruppen einer bestimmten Krankheit häufiger sind als bei Gruppen gesunder Menschen. Diese Sequenzunterschiede informieren über die an der Krankheit beteiligten Gene und krankheitsrelevanten molekularen Prozesse. 
Bei Exom-Sequenzierungen wird die Reihenfolge der DNA-Bausteine sämtlicher proteincodierender Abschnitte innerhalb des Genoms von Patienten mit besonders schwerem Krankheitsbild, sowie ihrer gesunden Geschwister und Eltern bestimmt. Durch eine vergleichende Sequenzanalyse können dann Veränderungen in der DNA-Sequenz gefunden werden, die ursächlich für das Krankheitsbild sind. 

Aktuelles Projekt

Whole Exome-Sequenzierung von Patienten mit früh diagnostizierter schwerer Parodontitis
Wissenschaftliche Mitarbeiterin: Dr. rer. nat. Gesa Richter
Förderung: DFG
Kooperationspartner: Dr. Sandra Freitag-Wolf, UKSH Kiel, IMIS

Ausgewählte Publikationen

• Richter GM, Wagner G, Reichenmiller K, Staufenbiel I, Martins O, Löscher BS, Holtgrewe M, Jepsen S, Dommisch H, Schaefer AS. Exome Sequencing of 5 Families with Severe Early-Onset Periodontitis. J Dent Res. 2022 Feb;101(2):151-157. doi: 10.1177/00220345211029266. PMID: 34515563
• Richter GM, Kruppa J, Keceli HG, Ataman-Duruel ET, Graetz C, Pischon N, Wagner G, Rendenbach C, Jockel-Schneider Y, Martins O, Bruckmann C, Staufenbiel I, Franke A, Nohutcu RM, Jepsen S, Dommisch H, Schaefer AS. Epigenetic adaptations of the masticatory mucosa to periodontal inflammation. Clin Epigenetics. 2021 Nov 3;13(1):203. doi: 10.1186/s13148-021-01190-7.PMID: 34732256
• Richter GM, Kruppa J, Munz M, Wiehe R, Häsler R, Franke A, Martins O, Jockel-Schneider Y, Bruckmann C, Dommisch H, Schaefer AS. A combined epigenome- and transcriptome-wide association study of the oral masticatory mucosa assigns CYP1B1 a central role for epithelial health in smokers. Clin Epigenetics. 2019 Jul 22;11(1):105. doi: 10.1186/s13148-019-0697-y.PMID: 31331382 
• Munz M, Willenborg C, Richter GM, Jockel-Schneider Y, Graetz C, Staufenbiel I, Wellmann J, Berger K, Krone B, Hoffmann P, van der Velde N, Uitterlinden AG, de Groot LCPGM, Sawalha AH, Direskeneli H, Saruhan-Direskeneli G, Guzeldemir-Akcakanat E, Keceli HG, Laudes M, Noack B, Teumer A, Holtfreter B, Kocher T, Eickholz P, Meyle J, Doerfer C, Bruckmann C, Lieb W, Franke A, Schreiber S, Nohutcu RM, Erdmann J, Loos BG, Jepsen S, Dommisch H, Schaefer AS. A genome-wide association study identifies nucleotide variants at SIGLEC5 and DEFA1A3 as risk loci for periodontitis. Hum Mol Genet. 2018 Mar 1;27(5):941-942. doi: 10.1093/hmg/ddy015.PMID: 29346566
   

Forschungsthema

Parodontitis ist eine häufige entzündliche Erkrankung des Zahnhalteapparates und weltweit die sechsthäufigste Krankheit. Die individuellen Unterschiede im Krankheitsbild sind zu einem sehr großen Teil auf die genetische Variabilität zwischen verschiedenen Individualen und den spezifischen biologischen Konsequenzen der jeweiligen genetischen Varianten zurückzuführen. Diese bilden in ihrer Gesamtheit die genetische Architektur und beeinflussen und formen die verschiedenen Krankheitsmanifestationen. Wir haben eine Serie genomweiter Assoziationsstudien durchgeführt im Rahmen derer wir eine Vielzahl mit der Parodontitis assoziierter Regionen im Genom identifizieren konnten. Manche dieser Regionen und Nukleotid-Polymorphismen sind auch mit anderen komplexen Erkrankungen (z.B. Herzinfarkt, Bluthochdruck) assoziiert und zeigen damit pleiotrope Effekte Bereiche an.
Wir vermuten, dass sich innerhalb dieser DNA-Sequenzbereiche genetische Varianten befinden, die einen Effekt auf die Genregulation haben und die Aktivität für die Mundgesundheit relevanter Gene beeinflussen. Wir möchten die funktionalen genetischen Varianten identifizieren und ihre molekularbiologischen Effekte aufklären. Dies kann z.B. die Beeinflussung der Bindestellen von Transkriptionsfaktoren oder der Expression anderer regulatorischer Moleküle wie nicht proteincodierende RNAs (miRNAs, lncRNAs) sein. 
Zu diesem Zweck verwenden wir Methoden für umfängliche parallele Reportergenuntersuchungen (Massively Parallel Reporter Assays; MPRAs), welche es ermöglichen, die assoziierten Allele zehntausender Sequenzen (Candidate Regulatory Sequences) auf ihre regulatorische Funktion zu untersuchen. Des Weiteren bestimmen wir die Zielgene der regulatorischen Varianten durch CRISPR-dCas9 Genaktivierung und –Inhibition. Die identifizierten kausalen Varianten, sowie die an ihnen bindenden Moleküle stellen auch potentielle molekulare Ziele für neue Medikamente dar. 

Wissenschaftliche Mitarbeiterinnen

Nico Neumann
Muqing Niu
Weiwei Shi
Jiahui Song
Luyang Zhang

Aktuelles Projekt

Entschlüsselung pleiotroper kausaler genetischer Risikovarianten der Parodontitis durch umfängliche parallele Reportergene
Förderung: DFG
Kooperationspartner: Prof. Dr. Martin Kircher, AG Regulatory Genomics, Institut für Humangenetik, UKSH – Campus Lübeck

Ausgewählte Publikationen

• RSPO4 is a potential risk gene of stages III-IV, grade C periodontitis through effects on innate immune response and oral barrier integrity. Chopra A, Song J, Weiner J 3rd, Keceli HG, Dincer PR, Cruz R, Carracedo A, Blanco J, Dommisch H, Schaefer AS. J Clin Periodontol. 2022 Dec 12. doi: 10.1111/jcpe.13758. PMID: 36507580
• Case-only design identifies interactions of genetic risk variants at SIGLEC5 and PLG with the lncRNA CTD-2353F22.1 implying the importance of periodontal wound healing for disease aetiology. Müller R, Freitag-Wolf S, Weiner J 3rd, Chopra A, Top T, Dommisch H, Schaefer AS. J Clin Periodontol. 2023 Jan;50(1):90-101. doi: 10.1111/jcpe.13712. Epub 2022 Aug 15.PMID: 36129033
• Periodontitis Risk Variants at SIGLEC5 Impair ERG and MAFB Binding. Mueller R, Chopra A, Dommisch H, Schaefer AS. J Dent Res. 2022 May;101(5):551-558. doi: 10.1177/00220345211049984. PMID: 34852650
• BACH1 Binding Links the Genetic Risk for Severe Periodontitis with ST8SIA1. Chopra A, Mueller R, Weiner J 3rd, Rosowski J, Dommisch H, Grohmann E, Schaefer AS.J Dent Res. 2022 Jan;101(1):93-101. doi:10.1177/00220345211017510..PMID: 34160287

Forschungsthemen

Parodontitis ist eine häufige Entzündungserkrankung der Mundhöhle bei der 11% der Bevölkerung schwere Krankheitsbilder entwickeln. Die orale Entzündung führt zu Zahnfleischbluten und Verlust des Bindegewebes und des Alveolarknochens mit anschließendem Zahnverlust und ist insbesondere durch eine erhöhte Diversität der Mikroflora in den entzündeten Zahnfleischtaschen gekennzeichnet. Die Identifikation spezifischer Pathogene mit kausalem Einfluss auf die orale Immunreaktion und Entzündung hat eine besondere klinische Bedeutung. Charakteristisch ist u.a. die hohe Prävalenz des Protozoon Entamoeba ginigvalis. Wir konnten zeigen, dass dieser Einzeller in der Lage ist in die orale Mukosa einzudringen, sich dort zu bewegen, die Wirtszellen zu phagozytieren und zur Gewebezerstörung und Entzündung beizutragen. Aktuell untersuchen wir u.a. die Abwehrmechanismen des menschlichen Wirtes gegen Entamoeba gingivalis. 
Die Parodontitis kann ebenfalls zu einem erhöhtem Risiko für kardiovaskuläre Erkrankungen beitragen. Als mögliche Ursache dieses Zusammenhangs werden orale Mikroorganismen oder ihre Bestandteile vermutet, die im Verlauf oraler Entzündungen vermehrt in den Blutkreislauf gelangen und in den Gefäßen Entzündungsreaktionen auslösen können. Zu Prüfung dieser Hypothese wurden im Rahmen der NAKO Gesundheitsstudie zwei bevölkerungsrepräsentative Kohorten mit dem Ziel etabliert um Faktoren zu identifizieren, welche den Beginn und den Verlauf von kardiovaskulären Erkrankungen und der Parodontitis beeinflussen. In den Projekten PAROCARD und MikroZahn stehen medizinische Informationen, Speichel, sowie supra- und subgingivale Plaqueproben zur Bestimmung der oralen Mikrobiota zur Verfügung. Mit diesen Proben identifizieren wir in 1.200 Parodontitis-Patienten mit oder ohne kardiovaskuläre Erkrankungen das individuelle orale Mikrobiom durch Metagenom Sequenzierung. Dies erlaubt die Bestimmung individueller Häufigkeiten einzelner mikrobieller Arten in der gesunden und entzündeten Mundhöhle bei Patienten mit Parodontitis sowie mit oder ohne kardiovaskulären Erkrankungen, sowie von mikrobiellen Virulenzfaktoren auf Ebene der Erbinformation. 
Diese Erkenntnisse können zu einem besseren Verständnis möglicher kausaler Faktoren beitragen, die das erhöhte relative Risiko kardiovaskulärer Erkrankungen vor dem Hintergrund oralen Entzündung erklären. 

Aktuelle Projekte

Charakterisierung der Wirt-Parasit Interaktionen zwischen der oralen Mukosa und des Protozoon Entamoeba gingivalis und ihrer Effekte auf Gewebeinvasion, -zerstörung und mikrobielle Dysbiose
Wissenschaftlicher Mitarbeiter: Lea Rosenfeld
Förderung: DFG

Identifikation Oraler Mikrobieller Profile der Parodontitis und deren Beziehung zu kardiovaskulären Erkrankungen
Wissenschaftliche Mitarbeiter: ausstehend
Förderung: DFG
Kooperationsprojekt mit

• Dr. Ghazal Aarabi, Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf, Zentrum für Zahn-, Mund- und Kieferheilkunde, Poliklinik fürParodontologie, Präventive Zahnmedizin
• Dr. Katrin Hertrampf, Universitätsklinikum Schleswig-Holstein, Klinik für Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie

Ausgewählte Publikationen

• Host prediction for disease-associated gastrointestinal cressdnaviruses. Kinsella CM, Deijs M, Becker C, Broekhuizen P, van Gool T, Bart A, Schaefer AS, van der Hoek L. Virus Evol. 2022 Sep 16;8(2):veac087. doi: 10.1093/ve/veac087. eCollection 2022.PMID: 36325032
• Entamoeba gingivalis Causes Oral Inflammation and Tissue Destruction. Bao X, Wiehe R, Dommisch H, Schaefer AS. J Dent Res. 2020 May;99(5):561-567. doi: 10.1177/0022034520901738. Epub 2020 Feb 5.PMID: 32023135
• Entamoeba gingivalis Exerts Severe Pathogenic Effects on the Oral Mucosa. Bao X, Weiner J 3rd, Meckes O, Dommisch H, Schaefer AS. J Dent Res. 2021 Jul;100(7):771-776. doi: 10.1177/00220345211004498. Epub 2021 Apr 1.PMID: 33792418 
• Becker C, Adam A, Dommisch H, Stach T, Schaefer AS. In vitro induction of Entamoeba gingivalis cyst-like structures from trophozoites in response to antibiotic treatment. Front Cell Infect Microbiol. 2023 Jul 4;13:1201394. doi: 10.3389/fcimb.2023.1201394. PMID: 37469604; PMCID: PMC10352839.