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Short cfDNA fragments
bioinformatic analysis and diagnostic applications
Jan Müller
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Zentrum für Molekulare Biologie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doctor of Philosophy-Doktoratsstudium Molecular Biosciences Molekulare Biologie
Betreuer*in
Arndt von Haeseler
DOI
10.25365/thesis.78261
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-20249.32829.483449-3
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Die Entwicklung minimal-invasiver Diagnoseverfahren ist entscheidend für die Verbesserung der Überlebenschancen und Behandlung komplexer Krankheiten wie Krebs oder Sepsis. Zellfreie DNA (cfDNA), d.h. DNA-Fragmente, die in Körperflüssigkeiten zirkulieren, sind eine vielversprechende Grundlage für solche Diagnoseverfahren. Während sich die bisherige Forschung auf nukleosomale cfDNA-Fragmente konzentrierte, deuten neue Erkenntnisse darauf hin, dass kürzere doppelsträngige cfDNA-Fragmente (short cfDNA), die zwischen 20 und 60 Basenpaaren lang sind, einzigartige Einblicke bieten können, da sie aus Wechselwirkungen mit nicht-histonischen DNA-bindenden Proteinen stammen, darunter Transkriptionsfaktoren, die wichtige Regulatoren der Gentranskription und der menschlichen Physiologie sind. Folglich kann kurze cfDNA einen umfassenden Einblick in die Reaktionsmechanismen des Körpers auf physiologische Veränderungen geben, woraus sich wiederum ein diagnostisches Potenzial ableiten lässt. Dieses Potenzial ist bisher jedoch noch nicht ausreichend erforscht worden. Ziel dieser Arbeit ist es, eine Technologie zur Identifizierung neuartiger Biomarker auf der Grundlage kurzer cfDNA-Fragmente zu entwickeln und eine darauf abgestimmte bioinformatische Analyse zu etablieren. In Kapitel 4 wird eine Methode zur Anreicherung kurzer cfDNA aus Blutplasma vorgestellt. Diese Methode, kombiniert mit einer speziellen bioinformatischen Pipeline, ermöglicht die Hochdurchsatz-Sequenzierung und Quantifizierung solcher cfDNA-Fragmente. Die Studie zeigt die Anhäufung dieser Fragmente an regulatorischen genomischen Elementen, bestätigt ihren Ursprung aus Transkriptionsfaktor-Bindungsereignissen und charakterisiert die Beziehung zum Chromatinstatus und zur Gentranskription. Diese Methode ermöglicht eine ungerichtete Identifizierung von Transkriptionsfaktoren, die bei Erkrankungen eine Rolle spielen könnten, und eröffnet die Möglichkeit, neue Biomarker zu entdecken. Die Analysen einer Pilotkohorte haben gezeigt, dass es möglich ist zwischen Patientenproben von zwei verschiedenen gastrointestinalen Karzinomtypen und septischen und nicht-septischen Patienten sowie gesunden Personen zu unterscheiden. In Kapitel 5 wird das klinische Potenzial von kurzen cfDNA-Fragmenten für die Sepsisdiagnostik weiter untersucht. Sepsis, eine schwere Erkrankung, die durch eine dysregulierte Reaktion des Wirts auf eine Infektion gekennzeichnet ist, birgt erhebliche diagnostische Herausforderungen. Die Analyse kurzer cfDNA-Fragmente ermöglichte Einblicke in die Wirtsreaktion und die Funktionalität von Organsystemen sowie eine genauere Unterscheidung von bakterieller oder viraler Sepsis und eine frühzeitige Vorhersage des Mortalitätsrisikos im Vergleich zu etablierten Metriken. Zusammenfassend wird in dieser Arbeit ein Ansatz zur Identifizierung und Analyse kurzer cfDNA als neue Biomarkerklasse für verschiedene klinische Indikationen vorgestellt. Die Ergebnisse unterstreichen das Potenzial dieser kurzen cfDNA-Fragmente zur Verbesserung der Diagnostik komplexer Krankheiten und bieten einen neuen Ansatz für genauere und minimalinvasive klinische Diagnoseverfahren. Diese Arbeit legt den Grundstein für die Entwicklung gezielter Analyseansätze für die identifizierten Biomarker und damit für die klinische Anwendung in der Präzisionsmedizin.
Abstract
(Englisch)
The development of minimally-invasive diagnostic tools is crucial for improving outcomes and managing complex diseases such as cancer or sepsis. Cell-free DNA (cfDNA), fragments of DNA circulating in body fluids, holds promise as a basis for such diagnostic tools. While previous research has focused on nucleosomal cfDNA fragments, emerging evidence suggests that shorter double-stranded cfDNA (short cfDNA) fragments, between 20 and 60 base pairs in length, may offer unique insights due to their origin from interactions with non-histone DNA binding proteins, including transcription factors, which are key regulators of gene transcription and human physiology. Consequently, short cfDNA may provide a comprehensive view of the body's response mechanisms to physiological alterations, from which diagnostic potential can be derived. However, this potential has remained underexplored. This thesis aims to develop a technology for identifying novel biomarkers based on short cfDNA fragments and to establish a tailored bioinformatic approach for their corresponding analysis. Chapter 4 presents a method for enriching short cfDNA from blood plasma. This method, combined with a custom bioinformatic pipeline, enables high-throughput sequencing and quantification of such cfDNA fragments. The study demonstrates the accumulation of these fragments at regulatory genomic elements, confirms their origin from transcription factor binding events, and characterizes the relationship to chromatin status and gene transcription. This method facilitates an untargeted identification of transcription factors potentially implicated in clinical conditions with the discovery of putative biomarkers. Analyses of a pilot cohort demonstrated the ability to distinguish between patient samples from two different gastrointestinal carcinoma types and between septic and non-septic patients as well as healthy individuals. Chapter 5 further explores the clinical potential of short cfDNA fragments for sepsis diagnostics. Sepsis, a severe disease characterized by a dysregulated host response to an infection, presents significant diagnostic challenges. The analysis of short cfDNA fragments provided insights into the host response and functionality of organ systems, as well as superior discrimination of bacterial or viral sepsis and early prediction of mortality risk compared to established metrics. In conclusion, this thesis presents an approach for identifying and analyzing short cfDNA as a new biomarker class for different clinical indications. The findings underscore the potential of these short cfDNA fragments to improve diagnostics of complex diseases, offering a new approach for more accurate and minimally invasive clinical diagnostic tools. This work lays the foundation for developing targeted analysis approaches of the identified biomarkers and, thereby, the clinical application in precision medicine.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Zellfreie DNA Bioinformatik Diagnostik Sepsis
Schlagwörter
(Englisch)
Cell-free DNA Bioinformatics Diagnostics Sepsis
Autor*innen
Jan Müller 
Haupttitel (Englisch)
Short cfDNA fragments
Hauptuntertitel (Englisch)
bioinformatic analysis and diagnostic applications
Publikationsjahr
2025
Umfangsangabe
vi, 112 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Stefan Ameres ,
Marcin Osuchowski
Klassifikationen
42 Biologie > 42.13 Molekularbiologie ,
44 Medizin > 44.51 Diagnostik
AC Nummer
AC17503920
Utheses ID
74622
Studienkennzahl
UA | 794 | 620 | 490 |