Feline Genomes Fuel Precision Medicine

Wenn man an die beliebtesten und nützlichsten Tiermodelle in der biomedizinischen Forschung denkt, denkt man an Mäuse und Ratten, gefolgt von Kaninchen, Hunden, Affen und so weiter. Die Hauskatze steht traditionell weit unten auf der Liste. Aber eine kürzlich entwickelte Katzengenom-Referenzbaugruppe verspricht, die Katze in den Charts nach oben zu bringen.

Trotz der raschen Steigerung unserer Fähigkeiten zur Sequenzierung ist die Anwendung genomischer Erkenntnisse in der Medizin aus gutem Grund im Gesundheitswesen keine Routine. Wir brauchen nicht nur genaue und vollständige Sequenzen, sondern wir müssen auch wissen, was Sequenzänderungen im Kontext der biologischen Funktion bedeuten, bevor das Gesundheitswesen die Genommedizin einführen kann – bei der Behandlungen auf zugrunde liegende genetische Ursachen bei einem einzelnen Patienten oder einer Patientenpopulation gerichtet sind.

Eine ausschließliche Fokussierung auf den Rahmen des menschlichen Genoms ist nicht im Interesse der Präzisionsmedizin. Der Vergleich konservierter Sequenzen in mehreren Arten und die Untersuchung der Bedeutung einzelner Nukleotidvariationen (SNVs) und struktureller Variationen (SVs) für die Biologie und Krankheiten anderer Arten sind für die Entwicklung von Präzisionstherapeutika von entscheidender Bedeutung. Hochwertige Referenzgenome, insbesondere von Arten, deren Genome konserviert sind und der gleichen Genreihenfolge wie beim Menschen folgen, sind unverzichtbar, um die biologischen Auswirkungen genetischer Variationen zu verstehen.

Katzen sind ein Gewinn bei der Identifizierung krankheitsverursachender genetischer Variationen. Leslie Lyons, PhD, Professorin am College of Veterinary Medicine der University of Missouri, sagte: „Die Sequenzierung des gesamten Genoms bei jeder Spezies, um kausale DNA-Varianten zu finden, ist nur in etwa 50% der Fälle erfolgreich. Wir werden von Varianten unbekannter Bedeutung (VUSs) geplagt. Die Variante mag uns ins Gesicht starren, aber wir verstehen nicht, dass es sich um eine signifikante Variante handelt und Krankheiten verursacht. Wir hoffen, dass Katzen in dieser Hinsicht helfen werden, denn wenn die Katze dieselbe Variante wie beim Menschen hat und kein gesundheitliches Problem hat, wird dies möglicherweise die Priorität vieler Varianten, die wir beim Menschen sehen, im Vergleich zwischen den Arten senken.“

Neue genomische Ressource für Katzen

Die Hauskatze ist nicht nur ein Haustier und Begleiter, sie dient auch als sekundäre Quelle oder „Bioproxy“, um menschliche Bedingungen und evolutionäre Ereignisse zu bestätigen. Wie Menschen leiden auch Katzen an Krebs und einer Reihe häufiger und seltener Krankheiten, einschließlich neurologischer Erkrankungen.

Im vergangenen Jahr entwickelte ein Konsortium unter der Leitung von Wissenschaftlern der University of Missouri eine neue Katzengenom-Referenzanordnung aus lang gelesenen Sequenzen des gesamten Genoms von 54 Hauskatzen, die die Landschaft der Katzen-SNVs und -SVs im Kontext menschlicher Gene annotierte. Die Hauskatze gehört zur Familie der Felidae, in der es etwa 40 verschiedene Arten mit erhaltener genetischer Ausstattung gibt. Die Verfügbarkeit einer Vielzahl von Hybridkatzen kann zu genaueren Genomanordnungen führen. Diese Ressource birgt das Potenzial, neue Variationen zu identifizieren, die für physiologische Merkmale und pathologische Zustände verantwortlich sind, und die Verbreitung der Genommedizin sowohl in der Tier- als auch in der Humanmedizin zu erleichtern.

“Wir haben einen großen Sprung nach vorne gemacht”, sagte Lyons. „Durch die neue haploidbasierte phasengesteuerte Genommontage ist die Katze jetzt unübertroffen. Viele Forscher haben sich möglicherweise nicht auf die Katze konzentriert, weil sie nicht über die Genomwerkzeuge verfügten, die zum Studium der Katze erforderlich waren. Nun, jetzt tun Sie es!“ Lyons sagt, dass die Katze jetzt neben einer Maus oder einer Ratte in Betracht gezogen werden muss. „Sie möchten das richtige biomedizinische Modell für die richtige Krankheit verwenden. Long-Read-Sequenzierungstechnologien geben uns jetzt die Möglichkeit dazu“, fügte sie hinzu.

Wesley Warren, PhD, Professor für Genomik an der University of Missouri und leitender Autor des PLOS-Genetik-Papiers 2020, das über die Zusammensetzung des Referenzgenoms der Katze berichtete, sagte: „Die Untersuchung vieler Arten bietet Einblicke in interessante Merkmale, aber die Hauskatze, in mit uns zusammenzuleben und bei einigen Krankheiten ein ähnliches Schicksal zu teilen, stellt ein einzigartiges Modell dar, um die Ziele der Genommedizin voranzutreiben, die der Katze und dem Menschen zugutekommen.“ Diese artenweite Sammlung von feliden Genomressourcen, die der menschlichen Referenz in ihrer Qualität entsprechen, „bietet aufregende Möglichkeiten, diese Krankheiten bei der Katze zu untersuchen“.

Cathryn Mellersh, PhD, Senior Research Associate am Department of Veterinary Medicine, University of Cambridge, sagte: „Das gemeinschaftsbasierte 99 Lives Cat Genome Sequencing Consortium hat direkt bedeutende molekulare Entdeckungen ermöglicht, einschließlich der Identifizierung neuer Varianten in Genen, die zuvor mit Krankheiten, neuartige Gen-Krankheit-Assoziationen und sogar neuartige Krankheiten, die alle wichtige Auswirkungen auf unser Verständnis biologischer Prozesse und Krankheiten bei allen Arten haben, einschließlich unserer eigenen.“

Richtiges Modell für die Krankheitsforschung

Wissenschaftler zögern manchmal, neue Modelle zu akzeptieren, beklagte Lyons. Ein Großteil der Forschung konzentrierte sich folglich auf einige wenige allgegenwärtige Modelle, von E. coli über Hefe bis hin zu Drosophila und mehreren Inzuchtmäusen.

In einem Forum mit dem Titel „Cats–telomere to telomere and nose to tail“, das in Trends in Genetics veröffentlicht wurde, bekräftigte Lyons die Verwendung von Katzen als wertvolle Modellorganismen für die translationale Erforschung von Erbkrankheiten und die Entwicklung präzisionsmedizinischer Therapien sowohl für die Veterinärmedizin und menschliche Gesundheitsversorgung.

“Der Einsatz von Katzen in der Forschung wird wirklich übersehen, da die Leute die Vorteile nicht erkennen”, sagte Lyons. „Das Genom von Hunden oder Mäusen hat veränderte Chromosomen, die sich stark von denen des Menschen unterscheiden, aber die Hauskatze hat Gene, die ungefähr so ​​​​groß sind wie der Mensch.“ Es ist auch sehr gut organisiert und konserviert.

Syntenie – ein Begriff, der die physische Erhaltung von Genblöcken in der richtigen Reihenfolge beschreibt – ist bei Menschen und Katzen höher als beispielsweise bei Mäusen oder Hunden. Synteny, glaubt Lyons, ist eine wichtige Facette bei der Charakterisierung der Funktion eines neuen Gens oder einer intergenen Region.

Kein Modell ist perfekt, aber einige Modelle sind für spezifische Fragen besser als andere. „Wir wollen effektivere Modelle für die translationale Medizin fördern. Jetzt, da wir über bessere genomische Ressourcen verfügen, ist es vielleicht manchmal besser, die Katze als die Maus zu verwenden, weil die Übertragung auf den Menschen effizienter und angemessener wäre“, sagte Lyons.

Die Verwendung von Katzenmodellen kann Forschern helfen, Tiermodelle in ihren Studien zu verfeinern, zu reduzieren und zu ersetzen, betonte Lyons. Da Katzen größere Vorbilder sind als Mäuse, erzeugen sie mehr Aufmerksamkeit in Bezug auf behördliche Richtlinien. „Vielleicht könnten wir weniger Katzen effizienter einsetzen als Mäuse, weil es das richtige Modell für die richtige Krankheit ist“, sagte sie. „Die Arbeit mit Primaten ist teuer, aber die Erschwinglichkeit und die fügsame Natur einer Katze machen sie zu einem der am besten geeigneten Tiere, um das menschliche Genom zu verstehen.“

„Lyons weist zu Recht darauf hin, dass die Katzenforschungsgemeinschaft, obwohl sie klein im Vergleich zu den mit anderen domestizierten Arten assoziierten Forschungsgemeinschaften ist, ‚perfekt gebildet‘ ist und in Bezug auf die Entwicklung von Genomwerkzeugen für die Hauskatze sicherlich einen Schlag vollbracht hat “, sagte Mellersh.

Dunkle Materie erhellen

Die Genomik von Katzen kann besonders aufschlussreich sein, wenn es darum geht, die funktionelle Bedeutung von nicht-kodierenden Sequenzen zu verstehen, wobei das Konservierungsniveau eine biologische Bedeutung nahelegt. Katzen haben wie Menschen auch genetische Krankheiten, die mit dieser genomischen Dunklen Materie verbunden sind, die regulatorische Elemente und dreidimensionale Strukturen enthält, die Gene regulieren. Lyons sagte, die relative Ähnlichkeit der Organisation des Katzengenoms mit dem Menschen mache es zu einem guten Modell, um regulatorische Elemente zu identifizieren.

„Wenn 50 % der kausalen Varianten innerhalb der Gene liegen, wo sind dann die anderen 50 %? Es muss in der „Junk“-DNA sein, wir wissen, dass es ziemlich wichtig ist. Wir hoffen, dass Katzen uns helfen können zu entschlüsseln, wie die vorgelagerten regulatorischen Elemente von Genen und Elemente, die weit von den Genen entfernt sind, einige unserer biologischen und gesundheitlichen Bedenken verursachen.“

Handwerkszeug

Der erste Katzenklon, Cc, kurz für CopyCat, wurde 2001 generiert. Ihre Spenderin war eine typische Kalikokatze mit schwarzem, orangefarbenem und weißem Fell, aber Cc hatte keine Orange auf ihrem Fell, was genetischen Prinzipien trotzte und auf sie hinweist Die Färbung wurde während der Embryogenese nicht umprogrammiert. Dieser Hinweis hat zu einem besseren Verständnis der X-Inaktivierung und Methylierung geführt.

Genomische und transgene Technologien ermöglichen auch den Einsatz von Katzen, um Evolution, Domestikation und Anpassung besser zu verstehen. „Wir verfügen über viele der erforderlichen Ressourcen, um verschiedene Aspekte der Genetik bei Katzen zu untersuchen. Wir können die gesamte Genomsequenzierung durchführen. Wir haben ein Exom-Capture-Array und ein High-Density-DNA-Array über Affymetrix“, sagte Lyons.

Lyons sieht die Entwicklung von Imputationstechniken vor, bei denen eine Genomsequenzierung mit geringer Tiefe die Merkmale des restlichen Genoms der Katze abschätzen könnte. Mit angemessener Finanzierung hofft sie, dass ausgefeiltere Techniken wie die Long-Read-RNA-Sequenzierung, Einzelkerntechnologien und ein Atlas der Katzengenexpression verwendet werden könnten, um das Katzengenom weiter zu analysieren.

„Katzen haben weniger Fokus von NIH-Finanzierungen, aber die Gemeinschaft ist geschlossen, effizient und kooperativ“, sagte Lyons. „Wir bücken uns für alles, was Sie für die Katzengenomik brauchen. Wir hoffen, dass sich uns andere anschließen.“

Lyons und ihr Team minimierten die Anzahl der Katzen und maximierten gleichzeitig die potenziellen Modelle, die sie anbieten konnten. „Wir haben Katzen mit Erblindung und polyzystischer Nierenerkrankung (PKD). Außerdem kryokonservieren wir. Für unsere Katzenmodelle für erbliche Blindheit haben wir Embryonen und Sperma gerettet, damit wir nirgendwo Katzen in Käfigen haben müssen, sondern Modelle bei Bedarf wiederbeleben können.“

In einer Cell Report-Studie aus dem Jahr 2020 hat die Gruppe von Lyons ein kryokonserviertes Katzenmodell für das Chediak-Higashi-Syndrom wiederbelebt und die ursächliche Mutation definiert – eine große Genduplikation.

Auf dem Weg zu einer maßgeschneiderten Gesundheitsversorgung

Katzen können als Forschungsmodell eine wichtige Rolle in der Präzisionsmedizin spielen. Die Sequenzierung von Katzen, die an genetischen Krankheiten leiden, kann dazu beitragen, genetische Ursachen zu identifizieren und wirksamere Behandlungen zu entwickeln, die angesichts der genomischen Ähnlichkeit in Struktur und Sequenz möglicherweise beim Menschen anwendbar wären.

„Wir können ein maßgeschneidertes Gesundheitsprogramm für unsere Haustiere anbieten, und mehr Finanzmittel würden all die verschiedenen Teile umsetzen. Alle Säugetiere haben in der Regel sehr ähnliche Gene. Wenn wir also herausfinden, was eine Krankheit bei Katzen verursacht, können alle Therapien, die Katzen helfen können, möglicherweise auf Menschen übertragen werden, die an derselben Krankheit leiden. Ebenso kann die Forschung am Menschen möglicherweise auch auf Tiere übertragen werden“, sagte Lyons.

Die Gruppe von Lyons arbeitet derzeit an Katzenmodellen der PKD und entwickelt Methoden, um das Wachstum von Zysten in Katzenmodellen mit PKD unter Verwendung einer ketogenen Diät zu verhindern. PKD-Behandlungen für Katzen könnten auf Menschen angewendet werden, sagte Lyons.

Interessanterweise tritt PKD häufiger auf als einige bekannte genetische Erkrankungen wie Sichelzellanämie oder Mukoviszidose. Es betrifft normalerweise Patienten im späteren Leben; Sie erleben Nierenversagen in ihren 50er und 60er Jahren und eine verkürzte Lebensdauer. „Eine ketogene Diät könnte hilfreich sein, um die Größe der Zyste in der Niere zu reduzieren. Dann wird das normale Nierengewebe nicht zerstört und Sie werden nicht an Nierenversagen leiden. Die Idee ist, diese Zysten so klein wie möglich zu halten, sie vielleicht zu verkleinern“, erklärte Lyons.

Die durchschnittliche Lebensdauer von Mäusen beträgt 2–3 Jahre, was sie zu einem ungeeigneten Modell macht, um Langzeitbehandlungen in späteren Stadien zu testen. Katzen mit einer längeren Lebensdauer sollten besser geeignet sein.

„Zweitens ist die Niere bei der Maus so klein, dass es schwierig ist, das Zystenvolumen zu bewerten und festzustellen, ob eine Ihrer Behandlungen tatsächlich das Zystenvolumen reduziert, während die Katzenniere groß genug ist. Sie können diese Änderungen sehen. Wir können MRTs und CTs in einer normalen Tierklinik machen“, sagte Lyons.

Mellersh fügte hinzu: „Die Organisation des Genoms der Katze ist im Vergleich zu unserem auffallend gut konserviert, so dass unsere Katzenfreunde wahrscheinlich eine wichtige Rolle spielen werden, wenn Long- und Long-Read-Sequenzierungstechnologien eingesetzt werden, um Lücken in bestehenden Genomsequenzen zu schließen Die Entschlüsselung der Funktion von Regionen des Genoms, die derzeit kaum verstanden werden – ob Schrödingers Katze jemals jemandem geholfen hat, die Quantenphysik zu verstehen, ist wahrscheinlich umstritten, aber ihr Beitrag zur Genomik könnte durchaus bedeutender sein.“