Molecular insight into the etiology of Klippel-feil syndrome

2021 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20K16932
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 52050:Embryonic medicine and pediatrics-related
• Research Institution: Yokohama City University
• Principal Investigator: HAMANAKA Kohei 横浜市立大学, 医学部, 助教 (20801129)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: クリッペルフェイル症候群 / 染色体転座 / トポロジカルドメイン / スーパーエンハンサー / エンハンサーハイジャッキング

Outline of Final Research Achievements

We investigated the pathomechanism of Klippel-Feil syndrome and microcephaly emerging from t(5;8)(q35.1;p21.1) translocation. Because these two features can be explained by over-ossification of osteoblast, we investigated whether the translocation leads to it. First, we determined the breakpoints of the translocation with whole genome sequencing. The breakpoints disrupted a topologically associating domains (TAD) at chr5, which encompasses FGF18 encoding a growth factor differentiating osteoblasts. FGF18 was relocated to another TAD at chr8 by the translocation, where a super enhancer active in osteoblast resides. To assess the effect of the super enhancer on FGF18 expression, we modified the protocol of Enformer, a deep learning model predicting gene expression level from DNA sequence and devised in-silico “luciferase” assay. The assay predicted the vast super enhancer region upregulates FGF18 expression level in osteoblast.

Free Research Field

遺伝学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本成果から、染色体転座がエンハンサーの異所性相互作用を介してFGF18の発現を上昇させ、骨芽細胞による骨化が亢進することで、クリッペルフェイル症候群や小頭症を起こしている可能性が示唆された。本研究の結果から、疾患のメカニズムに基づいた細分化と精密医療が将来的に進むと思われる。また、本研究で開発したin-silico “luciferase” assayは、現実にin vitroで行うluciferase assayと比べて、１）多様な細胞種で活性が調べられる、２）注目している遺伝子のプロモーター配列が使える、などのメリットを有し、今後国内外の幅広い研究で活用されると思われる。