Verstoorde bindweefselregulatie in COPD; van gen naar biologische functie

  • Naam promovendus: Dr C.A. Brandsma
  • Instituut Universiteit: UMCG

Beter inzicht in de moleculaire en genetische processen die ten grondslag liggen aan de bindweefselverandering in COPD is nodig om nieuwe aangrijpingspunten te vinden voor een betere behandeling van COPD. Tot dusver zijn een aantal genoomwijde associatie studies uitgevoerd met als doel genetische variatie te vinden die geassocieerd is met een verhoogd risico op COPD. In deze studies zijn een aantal risico genvarianten (zgn. SNPs) voor COPD geïdentificeerd, maar de functionele consequenties van deze SNPs op processen in de long zijn nog onbekend. De doelstelling van dit project is om SNPs te identificeren die betrokken zijn bij de regulatie van weefselherstel bij COPD en vervolgens hun functionele rol te analyseren in longweefsel en longfibroblasten.

COPD is een levensbedreigende ziekte die gepaard gaat met benauwdheid en hoesten. COPD wordt gekenmerkt door een combinatie van chronische ontsteking en vernauwing van de luchtwegen en emfyseem. Opvallend is dat overmatige bindweefselproductie ten grondslag ligt aan de luchtwegvernauwing, terwijl afbraak van longweefsel en verminderde bindweefselproductie ten grondslag liggen aan emfyseem. De omvang en aard van deze bindweefselveranderingen varieert sterk per patiënt en kan mogelijk de verschillen in de respons op behandeling tussen COPD patiënten verklaren.
Roken is de belangrijkste risicofactor voor de ontwikkeling van COPD, maar het is onduidelijk hoe roken bijdraagt aan de veranderde bindweefselregulatie in de long. Beter inzicht in de moleculaire en genetische processen die ten grondslag liggen aan de bindweefselverandering in COPD is nodig om nieuwe aangrijpingspunten te vinden voor een betere behandeling van COPD.

Recent waren wij betrokken bij een studie van J.C. Hogg (Vancouver) en A. Spira (Boston), waarbij de expressie van > 17.000 genen in longweefsel is gerelateerd aan de ernst van emfyseem. Verschillende biologische processen die betrokken zijn bij weefselherstel en bindweefselproductie blijken minder actief te zijn bij ernstiger emfyseem. Dit omvat ook productie van bindweefseleiwitten en de regulatie van “transforming growth factor bèta” (TGFß), het belangrijkste regulatiemolecuul bij bindweefselproductie. Deze resultaten ondersteunen onze eigen eerdere bevindingen waarbij we hebben aangetoond dat er bij COPD een veranderde expressie bestaat van bindweefseleiwitten en moleculen betrokken bij TGFß-regulatie in longen en longfibroblasten, de belangrijkste bindweefselproducerende cellen.

Studies waarbij de expressie van veel genen wordt bestudeerd zijn belangrijk voor het identificeren van biologische processen die ten grondslag liggen aan COPD. De genetische variatie die deze veranderingen in genexpressie aanstuurt is echter minstens zo belangrijk.
Tot dusver zijn een aantal genoomwijde associatie studies uitgevoerd met als doel genetische variatie te vinden die geassocieerd is met een verhoogd risico op COPD. In deze studies zijn een aantal risico genvarianten (zgn. SNPs) voor COPD geïdentificeerd, maar de functionele consequenties van deze SNPs op processen in de long zijn nog onbekend. Dit kan worden onderzocht door de aanwezigheid van deze SNPs te koppelen aan de expressie van deze genen in longweefsel van dezelfde persoon. Op deze manier kunnen SNPs geïdentificeerd worden die direct betrokken zijn bij de regulatie van genexpressie. Deze SNPs worden expression quantitative trait loci (eQTLs) genoemd.

Recent hebben we deelgenomen aan een grote studie die als doel had om long-specifieke eQTLs (genvarianten die de expressie van genen in de long beïnvloeden) te identificeren en hun relatie met COPD te onderzoeken. We hebben de genetische variatie gekoppeld aan longspecifieke genexpressie data van goed gekarakteriseerde patiënten met en zonder COPD uit drie verschillende cohorten. Dit is een unieke dataset met in totaal > 1000 patiënten. Bovendien hebben we in Groningen longweefsel en voor een groot deel ook longfibroblasten van deze patiënten, waarmee we de functionele vertaalslag van de gevonden eQTLs kunnen maken.

De doelstelling van dit project is om SNPs te identificeren die betrokken zijn bij de regulatie van weefselherstel bij COPD en vervolgens hun functionele rol te analyseren in longweefsel en longfibroblasten.

Abstract

COPD is a life-threatening lung disease mainly caused by cigarette smoking. COPD is characterized by a combination of irreversible emphysematous lung tissue destruction with loss of extracellular matrix (ECM), and chronic bronchitis and small airways disease with increased ECM deposition and airway wall thickening. The extent of these airway and parenchymal changes varies largely between patients. How these contradictory processes encompassing both increased ECM production and loss of ECM can occur in such close proximity of each other remains unexplained and needs more attention. Better insight in the molecular and genetic processes underlying these abnormal tissue repair and remodeling processes in COPD is needed for the development of new treatment targets for patients with COPD.
We hypothesize that an abnormal tissue repair and remodeling response underlies the pathogenesis of COPD, where a lack of repair contributes to emphysema and uncontrolled repair to airway obstruction.

We collaborated with Prof. J.C Hogg (Vancouver) and Dr. A. Spira (Boston) on a whole genome gene expression study. The results showed that several genes involved in biological pathways relevant to tissue repair and remodeling, such as integrin signaling, extracellular matrix, and transforming growth factor beta (TGFß) pathways decreased with more severe emphysema. This is in line with our own previous findings demonstrating an altered expression of ECM proteins and components of the TGFß-Smad pathway in lung tissue of COPD patients and a different regulation of the Smad pathway in pulmonary fibroblasts from COPD patients.
Although gene expression studies are important in the discovery of biological processes underlying COPD pathogenesis, another important factor is the genetic variation driving these gene expression changes.
A number of genome wide association studies have now provided susceptibility loci for COPD development, but the association between these susceptibility loci and actual lung specific gene expression levels has not been systematically studied. The association between genetic variation and gene expression can be analyzed by combining genome-wide genotype and gene expression profiling in lung tissue from the same individuals. This allows the discovery of genetic variants (SNPs) that regulate tissue and disease specific gene expression changes, i.e. expression quantitative trait loci (eQTLs).
We recently participated in a large eQTL mapping study to discover lung specific eQTLs and their relationship with lung diseases, including COPD. Genome-wide expression and genotype data from three separate sets of lung tissue samples from well-characterized subjects undergoing lung surgery for several reasons is now available. This is a unique dataset containing genome-wide genotyping and gene expression of approximately 1350 lung tissue samples, including 466 patients with COPD. All patients were characterized for 98 clinical variables including demographics, smoking history and lung function. Moreover, lung tissue is available from all subjects from the Groningen cohort and from a large part also primary lung fibroblasts.
The aim of this project is to identify genetic variants (SNPs) that regulate biological processes underlying the abnormal tissue repair and remodeling response in COPD using this eQTL dataset. Subsequently, we will investigate the functional translation of these SNPs in pulmonary fibroblasts of COPD patients.

  • Bedrag:
    -250.000,00
  • Looptijd:
    2 jaar, 2 maanden
  • Soort subsidie:
    Research Project
  • Andere aanvragers/partners:
     
    Dr M. van den Berge
  • Projectnummer:
    3.2.11.024