Heja Aga-Barfknecht

• Diabetes is a major public health problem with increasing global prevalence. Type 2 diabetes (T2D), which accounts for 90% of all diagnosed cases, is a complex polygenic disease also modulated by epigenetics and lifestyle factors. For the identification of T2D-associated genes, linkage analyses combined with mouse breeding strategies and bioinformatic tools were useful in the past. In a previous study in which a backcross population of the lean and diabetes-prone dilute brown non-agouti (DBA) mouse and the obese and diabetes-susceptible New Zealand obese (NZO) mouse was characterized, a major diabetes quantitative trait locus (QTL) was identified on chromosome 4. The locus was designated non-insulin dependent diabetes from DBA (Nidd/DBA). The aim of this thesis was (i) to perform a detailed phenotypic characterization of the Nidd/DBA mice, (ii) to further narrow the critical region and (iii) to identify the responsible genetic variant(s) of the Nidd/DBA locus. The phenotypic characterization of recombinant congenic mice carrying aDiabetes is a major public health problem with increasing global prevalence. Type 2 diabetes (T2D), which accounts for 90% of all diagnosed cases, is a complex polygenic disease also modulated by epigenetics and lifestyle factors. For the identification of T2D-associated genes, linkage analyses combined with mouse breeding strategies and bioinformatic tools were useful in the past. In a previous study in which a backcross population of the lean and diabetes-prone dilute brown non-agouti (DBA) mouse and the obese and diabetes-susceptible New Zealand obese (NZO) mouse was characterized, a major diabetes quantitative trait locus (QTL) was identified on chromosome 4. The locus was designated non-insulin dependent diabetes from DBA (Nidd/DBA). The aim of this thesis was (i) to perform a detailed phenotypic characterization of the Nidd/DBA mice, (ii) to further narrow the critical region and (iii) to identify the responsible genetic variant(s) of the Nidd/DBA locus. The phenotypic characterization of recombinant congenic mice carrying a 13.6 Mbp Nidd/DBA fragment with 284 genes presented a gradually worsening metabolic phenotype. Nidd/DBA allele carriers exhibited severe hyperglycemia (~19.9 mM) and impaired glucose clearance at 12 weeks of age. Ex vivo perifusion experiments with islets of 13-week-old congenic mice revealed a tendency towards reduced insulin secretion in homozygous DBA mice. In addition, 16-week-old mice showed a severe loss of β-cells and reduced pancreatic insulin content. Pathway analysis of transcriptome data from islets of congenic mice pointed towards a downregulation of cell survival genes. Morphological analysis of pancreatic sections displayed a reduced number of bi-hormonal cells co-expressing glucagon and insulin in homozygous DBA mice, which could indicate a reduced plasticity of endocrine cells in response to hyperglycemic stress. Further generation and phenotyping of recombinant congenic mice enabled the isolation of a 3.3 Mbp fragment that was still able to induce hyperglycemia and contained 61 genes. Bioinformatic analyses including haplotype mapping, sequence and transcriptome analysis were integrated in order to further reduce the number of candidate genes and to identify the presumable causative gene variant. Four putative candidate genes (Ttc39a, Kti12, Osbpl9, Calr4) were defined, which were either differentially expressed or carried a sequence variant. In addition, in silico ChIP-Seq analyses of the 3.3 Mbp region indicated a high number of SNPs located in active regions of binding sites of β-cell transcription factors. This points towards potentially altered cis-regulatory elements that could be responsible for the phenotype conferred by the Nidd/DBA locus. In summary, the Nidd/DBA locus mediates impaired glucose homeostasis and reduced insulin secretion capacity which finally leads to β-cell death. The downregulation of cell survival genes and reduced plasticity of endocrine cells could further contribute to the β-cell loss. The critical region was narrowed down to a 3.3 Mbp fragment containing 61 genes, of which four might be involved in the development of the diabetogenic Nidd/DBA phenotype.…
• Die Diabetesprävalenz nimmt seit Jahren weltweit zu, wobei etwa 90% der diagnostizierten Diabeteserkrankungen einem Typ-2-Diabetes (T2D) zuzuordnen sind. T2D ist eine komplexe polygene Stoffwechselerkrankung, die auch durch epigenetische Faktoren und den Lebensstil beeinflusst wird. Die Identifizierung und Untersuchung von Diabetes-assoziierten Genen wird unter anderem durch Kopplungsanalysen und darauf aufbauende zuchtstrategische und bioinformatische Analysen ermöglicht. In einer vorangegangenen Studie wurde der schlanke, Diabetes-anfällige dilute brown non-agouti (DBA)-Mausstamm mit der adipösen und ebenfalls Diabetes-suszeptiblen New Zealand obese (NZO)-Maus verpaart und die erste Rückkreuzungsgeneration einer Kopplungsanalyse unterzogen. Hierbei wurde ein hoch signifikanter quantitative trait locus (QTL) für Diabetes auf Chromosom 4 nachgewiesen. Dieser Locus ist mit erhöhten Blutzuckerwerten, reduzierten Plasmainsulinkonzentrationen und einem niedrigen pankreatischen Insulingehalt assoziiert und wurde als Nidd/DBA (engl. fürDie Diabetesprävalenz nimmt seit Jahren weltweit zu, wobei etwa 90% der diagnostizierten Diabeteserkrankungen einem Typ-2-Diabetes (T2D) zuzuordnen sind. T2D ist eine komplexe polygene Stoffwechselerkrankung, die auch durch epigenetische Faktoren und den Lebensstil beeinflusst wird. Die Identifizierung und Untersuchung von Diabetes-assoziierten Genen wird unter anderem durch Kopplungsanalysen und darauf aufbauende zuchtstrategische und bioinformatische Analysen ermöglicht. In einer vorangegangenen Studie wurde der schlanke, Diabetes-anfällige dilute brown non-agouti (DBA)-Mausstamm mit der adipösen und ebenfalls Diabetes-suszeptiblen New Zealand obese (NZO)-Maus verpaart und die erste Rückkreuzungsgeneration einer Kopplungsanalyse unterzogen. Hierbei wurde ein hoch signifikanter quantitative trait locus (QTL) für Diabetes auf Chromosom 4 nachgewiesen. Dieser Locus ist mit erhöhten Blutzuckerwerten, reduzierten Plasmainsulinkonzentrationen und einem niedrigen pankreatischen Insulingehalt assoziiert und wurde als Nidd/DBA (engl. für nicht insulinabhängiger Diabetes von DBA-Allelen) bezeichnet. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, (i) das kritische Fragment des Nidd/DBA-Locus‘ zu verkleinern, (ii) die phänotypische Ausprägung des Nidd/DBA-Locus‘ zu untersuchen sowie (iii) die ursächliche(n) genetische(n) Variante(n) zu identifizieren. Die phänotypische Charakterisierung von kongenen Mäusen mit einem kritischen Fragment von 13.6 Mbp, welches 284 Gene enthält, zeigte bereits im Alter von 12 Wochen eine starke Hyperglykämie (~19.9 mM) und eine unzureichende Glucose-Clearance bei Nidd/DBA-Allelträgern. Ex-vivo Perifusionsversuche mit isolierten Inseln von 13 Wochen alten kongenen Mäusen zeigten eine tendenziell reduzierte Insulinsekretion in homozygoten DBA-Allelträgern. Im Alter von 16 Wochen wiesen die Tiere einen erheblichen Verlust der β-Zellen, sowie eine Abnahme der pankreatischen Insulinkonzentration auf. Transkriptomdaten der Langerhans-Inseln mit anschließender Signalweganalyse deuteten darauf hin, dass Nidd/DBA-Allelträger eine verminderte Expression von Genen aufzeigen, die für das Überleben von Zellen essentiell sind. In homozygoten DBA-Allelträgern wurde eine reduzierte Anzahl von Glucagon/Insulin-bi-hormonellen Zellen nachgewiesen, was auf eine verminderte Plastizität der endokrinen Zellen hinweisen könnte. Die Zucht weiterer kongener Mäuse und ihre Phänotypisierung ermöglichten die Isolierung eines 3.3 Mbp großen Fragments, das 61 Gene enthielt und eine Hyperglykämie auslöste. Bioinformatische Analysen, wie die Kartierung von Haplotypen und Datenbank-, Sequenz- sowie Transkriptomanalysen, wurden integriert, um die Anzahl der Kandidatengene weiter zu reduzieren und die Hyperglykämie auslösende(n) Genvariante(n) zu identifizieren. Es konnten vier potentielle Kandidatengene (Ttc39a, Osbpl9, Kti12, Calr4) definiert werden, die entweder eine differenzielle Expression oder eine Sequenzvariante aufwiesen. Mit Hilfe von in-silico-Analysen von ChIP-Seq-Daten wurden SNPs in aktiven Bindungsstellen von β-Zell-Transkriptionsfaktoren identifiziert. Diese könnten cis-regulatorische Elemente darstellen, die Gene außerhalb dieses 3.3 Mbp großen Fragments beeinflussen und möglichweise für den Phänotyp verantwortlich sind. Zusammenfassend konnte gezeigt werden, dass der Nidd/DBA-Locus für eine beeinträchtigte Glucosehomöostase und eine Verschlechterung der Insulinsekretion verantwortlich ist, welche langfristig zum Verlust von β-Zellen führen. Die bisherigen Ergebnisse deuten darauf hin, dass sowohl die verringerte Expression der für das Zellüberleben essentiellen Gene als auch eine verringerte Plastizität der endokrinen Zellen zum Untergang von Langerhans-Inseln beitragen. Das kritische Fragment wurde auf eine Größe von 3.3 Mbp mit 61 Genen reduziert, von denen vier Gene als verantwortliche Kandidaten für den beschriebenen Nidd/DBA-Phänotyp bedeutsam sein können…