GENOMWEITE ASSOZIATIONEN
GENOMWEITE ASSOZIATIONEN UND METABOLOMICS Fokus auf Homoarginin Marcus Kleber, Mannheim © Shutterstock/Tartila Mit dem technischen Fortschritt der letzten zwei Dekaden wurden unterschiedliche Hochdurchsatzverfahren zur gleichzeitigen und kostengünstigen Bestimmung großer Mengen an Analyten möglich. Eine der ersten dieser OMICS-Technologien war das Bestimmen einer großen Anzahl an genetischen Polymorphismen (single nucleotide polymorphisms, SNPs) mittels DNA-Microarrays (genomics). Sind diese SNPs als Raster über das gesamte Genom verstreut ermöglicht das die Durchführung genomweiter Assoziationsstudien (GWAS), bei denen Hunderttausende bis Millionen von SNPs in einer großen Zahl von Individuen auf ihre Assoziation mit bestimmten Phänotypen untersucht werden. CONFERENCES Die vielleicht erste publizierte GWAS erschien im Jahr 2002 und untersuchte ca. 100.000 SNPs auf eine mögliche Assoziation mit dem Myokardinfarkt [1]. Eine weitere Hochdurchsatztechnologie stellt die Metabolomics dar. Der Begriff Metabolomics beschreibt die Bestimmung einer Vielzahl von niedermolekularen Stoffwechselverbindungen in einem biologischen System oder Gewebe, z. B. Urin oder Blutplasma. Die Gesamtheit dieser Verbindungen, das Metabolom, besteht aus den primären und sekundären Metaboliten des endogenen Stoffwechsels (hierzu zählen u. a. Zucker, Lipide, Aminosäuren, Alkohole usw.) sowie Metaboliten aus exogenen Stoffen, die aus der Umwelt aufgenommen werden. Der wichtige Unterschied zu den vorherigen Verfahren besteht darin, dass sehr viele bekannte und unbekannte Verbindungen in einem Arbeitsgang bestimmt werden können. Die Verfahren, die dabei am häufigsten routinemäßig zum Einsatz kommen, sind die Massenspektrometrie (MS) sowie die Kernresonanzspektrometrie (nuclear magnetic resonance, NMR). 48
GENOMWEITE ASSOZIATIONEN UND METABOLOMICS mGWAS Im Jahr 2007 wurde die Human Metabolome Database gegründet (www.hmdb.ca), welche in der aktuellen Version HMDB v4 Einträge für mehr als 114.100 Metaboliten enthält. Ein Jahr danach erschien die erste Publikation, welche GWAS und Metabolomics verknüpfte, eine metabolic GWAS (mGWAS) [2]. In dieser ersten Publikation von Gieger et al. wurde die Assoziation von 187.454 SNPs mit 363 Metaboliten im Serum untersucht. Die Verbindung von Genetik und Metabolomics stellt ein mächtiges Werkzeug dar, um tiefere Einblicke in die Mechanismen zu gewinnen, welche die genetische Prädisposition von Menschen mit den interindividuellen Unterschieden in der Konzentration von Metaboliten verbinden und können so auch neue pathophysiologische Wege aufdecken, die zur Entstehung von Krankheiten beitragen (Abbildung 1). Laut einer Datenbank im Internet (http://www. metabolomix.com/list-of-all-published-gwaswith-metabolomics/) hat die Anzahl an Publikationen aus diesem Gebiet in den letzten Jahren zugenommen (Abbildung 2). Genetische Regulation des Homoarginins Anzahl an Publikationen 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Abbildung 1: Verbindung von zwei Hochdurchsatztechnologien, Genomics und Metabolomics, in Form von metabolischen genomweiten Assoziationsstudien (mGWAS) zur Aufdeckung neuer pathophysiologischer Wirkmechanismen. 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 Jahr Abbildung 2: Anzahl der mGWAS-Publikationen von 2008 bis 2018. GATM In unserer Arbeitsgruppe hat uns u. a. die genetische Regulation von Aminosäurekonzentrationen interessiert, insbesondere die des Homoarginins. Homoarginin ist eine nicht essenzielle kationische Aminosäure und unterscheidet sich von Arginin durch eine zusätzliche Methylgruppe in der Kohlenstoffseitenkette. Niedrige Blutkonzentrationen gehen mit einer deutlich gesteigerten Sterblichkeit einher [3]. In geringen Konzentrationen ist Homoarginin in vielen Körperflüssigkeiten und Organen zu finden. Die Aminosäure entsteht als Nebenprodukt bei enzymatischen Reaktionen, die Ornithin als Substrat umsetzen. Wird auf- -log10(p) CPS1 ARG1 Chromosome Abbildung 3: Ein Manhattan-Plot der Ergebnisse einer GWAS-Metaanalyse mit dem Phänotyp Homoarginin. Auf der Abszisse sind die Chromosomen aufgereiht, und die Ordinate zeigt den Grad der Assoziation an (negativer dekadischer Logarithmus des p-Wertes). Jeder Punkt repräsentiert einen SNP. 49
