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Infektiologie, Molekulare Virologie, Universität Heidelberg

Kommissionsmitglieder
Limbach und Kollegen, Heidelberg Stand: 11.10.2024

Tuberkulose
Tuberkulose“ Das Deutsche Tuberkulose-Archiv, Thoraxklinik Heidelberg

Im Rahmen der genehmigten Forschungsarbeiten unter Verwendung von humanen embryonalen Stammzellen (hES-Zellen) sollen auf menschlichen Nervenzellen basierende neuronale Netzwerke etabliert und charakterisiert werden, an denen genetische und zelluläre Grundlagen physiologischer und pathologischer Schmerzen analysiert, Ursachen von Schmerzüberempfindlichkeit und Schmerztoleranz bestimmt und künftig ggf. Substanzen identifiziert werden können, die Grundlage für die Entwicklung neuartiger Schmerzmittel sein können. Hierfür sollen hES-Zellen in Richtung von sensorischen Neuronen und Neuronen des Zentralnervensystems (ZNS) differenziert und diese dann in einem Mehrkammer-Kultursystem kokultiviert werden, in dem sich − über Mikrokanäle zwischen den Kammern − synaptische Kontakte zwischen verschiedenen Nervenzelltypen bilden können. In diesen Zellmodellen sollen dann die Struktur und Funktion der jeweils gebildeten Synapsen bestimmt sowie umfangreiche Untersuchungen zur Plastizität menschlicher Synapsen durchgeführt werden. Anschließend soll ermittelt werden, welche Effekte schmerzauslösende Stimuli bzw. mit pathologischem Schmerz assoziierte Bedingungen auf die Struktur und Funktion der Synapsen haben. Ferner sollen die Effekte von mit Schmerzsyndromen assoziierten Mutationen bzw. Polymorphismen auf die etablierten neuronalen Netzwerke untersucht werden. Dazu sollen entsprechende Mutationen in hES-Zellen erzeugt, die hES-Zellen in die o. g. Typen von Neuronen differenziert und ihre Eigenschaften in den oben beschriebenen neuronalen Netzwerken untersucht werden. Schließlich soll untersucht werden, ob sich die etablierten Zellmodelle zur Bestimmung der molekularen und zellulären Effekte schmerzlindernder Substanzen eignen, wofür insbesondere die Wirkung entsprechender Substanzen auf die synaptische Übertragung zwischen Neuronen sowie auf die Aktivität von Signalübertragungswegen überprüft werden soll, die an der Schmerztransduktion beteiligt sind.
Katrin Schrenk-Siemens, Universität Heidelberg 2.

Hintergrund des Forschungsvorhabens sind Hinweise darauf, dass eine verstärkte Methylierung in bestimmten Regionen des Gens für Proopiomelanocortin (POMC) mit einem erhöhten Risiko für die Entwicklung von Adipositas einhergeht. Dies könnte durch die Eigenschaften der POMC-Region bedingt sein, die die Kriterien eines sogenannten metastabilen Epiallels erfüllt. Im Rahmen der genehmigten Forschungsarbeiten sollen daher neuronale Zell- und Organoidmodelle etabliert werden, an denen frühe Vorgänge der Methylierung des POMC-Gens untersucht werden können. Dabei soll geklärt werden, wie variabel die Methylierung bestimmter Regionen des POMC-Gens ist und ob eine verstärkte Methylierung mit einer verminderten Expression dieses Gens (und folglich mit einer verminderten Sekretion von Melanozyten-stimulierendem Hormon, MSH) assoziiert ist. Hierfür werden geeignete hES-Zellen in den naiven Status überführt, in Richtung von Neuronen des Hypothalamus bzw. neuronaler Organoide differenziert und umfassend hinsichtlich der Methylierung des POMC-Gens und dessen Expression charakterisiert. Zudem soll zu Kontrollzwecken die Methylierung weiterer (bereits bekannter) metastabiler Epiallele untersucht werden. Im nächsten Schritt des Forschungsvorhabens soll dann bestimmt werden, ob und inwieweit die Präsenz sog. C1-Metaboloite und das Vorhandensein oder Fehlen transposabler Elemente (Alu-Elemente) die Methylierung der POMC-Gen-Region in sich entwickelnden menschlichen Neuronen beeinflusst. Dabei sollen auch Veränderungen in der Methylierung der mit der POMC-Gen-Region assoziierten Histone und deren Variabilität in Abhängigkeit von den genannten Bedingungen bestimmt werden. Zu Kontrollzwecken soll die Methylierung des POMC-Gens sowie weiterer metastabiler Epiallele auch in anderen aus hES-Zellen gewonnenen Zelltypen untersucht werden.
Moritz Mall, Deutsches Krebsforschungzentrum (DKFZ), Heidelberg

Gegenstand der genehmigten Forschungsarbeiten sind Untersuchungen zu Fragestellungen, ob und inwieweit Mutationen in spezifischen Regionen der nicht-codierenden DNA (sog. Human Accelerated Regions, HARs), zu veränderten Phänotypen in humanen Neuronen führen können. Hintergrund für diese Arbeiten ist die Tatsache, dass die human-spezifischen HARs zum einen häufig in Enhancern für Gene lokalisiert sind, deren Genprodukte eine Rolle bei der Entwicklung und Funktion neuronaler Zellen spielen. Zum anderen sind Mutationen in HARs häufig mit neuralen Entwicklungsstörungen (z. B. Autismus) oder psychischen Erkrankungen (z. B. Depressionen) assoziiert. Im Rahmen der Forschungsarbeiten sollen daher bestimmte HAR-Mutationen in hES-Zellen etabliert, die mutierten Zellen in neuronale Zellen differenziert und der Phänotyp der entsprechenden Neurone umfassend untersucht werden. Dabei sollen neben einer morphologischen, ultrastrukturellen, elektrophysiologischen und biochemischen Analyse vor allem auch die Eigenschaften der Synapsen detailliert untersucht werden. Zudem sollen das Genexpressionsprofil der Neurone bestimmt und Gene, deren Expression infolge der HAR-Mutationen Veränderungen erfahren haben, hinsichtlich der Rolle ihrer Genprodukte für die Entwicklung/Funktion neuronaler Zellen analysiert werden. Auf diesem Wege soll Aufschluss über eine mögliche Rolle von HAR-Mutationen bei neuralen Entwicklungsstörungen und bei der Pathogenese neuropsychiatrischer Erkrankungen erlangt werden.
Claudio Acuna Goycolea, Universitätsklinikum Heidelberg

Im Rahmen der beantragten Forschungsarbeiten unter Verwendung von hES-Zellen sollen Astrozyten aus hES-Zellen gewonnen und für die Beantwortung verschiedener Forschungsfragen genutzt werden. Zunächst sollen aus hES-Zellen gewonnene Astrozyten anstelle muriner Astrozyten als trophischer Support für die Ko-Kultivierung mit Neuronen in zwei bereits genehmigten Forschungsvorhaben verwendet werden (142. und 144. Genehmigung nach dem Stammzellgesetz). Durch die Erzeugung funktionaler neuraler Netzwerke, die ausschließlich aus humanen Zellen bestehen, sollen die in diesen Forschungsvorhaben zu klärenden Fragestellungen besser als bislang möglich beantwortet werden. Ferner soll die Rolle von Astrozyten und die Funktion von Astrozyten sekretierten Faktoren auf die Fähigkeit von humanen Neuronen zur Synapsenbildung untersucht werden. Hierfür sollen Gene, die maßgeblich in Astrozyten exprimiert werden und deren Produkte eine mutmaßlich synaptogene Aktivität aufweisen, in hES-Zellen funktional deletiert, die modifizierten Zellen zu Astrozyten differenziert und gemeinsam mit aus hES-Zellen abgeleiteten Neuronen kultiviert werden. Die Effekte der jeweiligen Mutationen in (hES-Zell-abgeleiteten) Astrozyten auf die Anzahl, Struktur und Funktion von in den entsprechenden neuralen Netzwerken gebildeten Synapsen soll dann im Detail bewertet werden. Schließlich soll untersucht werden, ob und auf welche Weise mit neuropsychiatrischen Erkrankungen assoziierte Mutationen, die zu einer veränderten Funktion von Astrozyten führen, zur Auslösung und Pathogenese der entsprechenden Erkrankungen beitragen. Hierfür sollen die entsprechenden Mutationen in hES-Zellen erzeugt, die genetisch veränderten hES-Zellen zu Astrozyten differenziert und der Effekt der mutierten Astrozyten auf humane Neurone im Rahmen entsprechender neuraler Netzwerke untersucht werden.
Claudio Acuna Goycolea, Universitätsklinikum Heidelberg

Im Rahmen der genehmigten Forschungsarbeiten unter Verwendung von humanen embryonalen Stammzellen (hES-Zellen) sollen auf menschlichen Nervenzellen basierende neuronale Netzwerke etabliert und charakterisiert werden, an denen genetische und zelluläre Grundlagen physiologischer und pathologischer Schmerzen analysiert, Ursachen von Schmerzüberempfindlichkeit und Schmerztoleranz bestimmt und künftig ggf. Substanzen identifiziert werden können, die Grundlage für die Entwicklung neuartiger Schmerzmittel sein können. Hierfür sollen hES-Zellen in Richtung von sensorischen Neuronen und Neuronen des Zentralnervensystems (ZNS) differenziert und diese dann in einem Mehrkammer-Kultursystem kokultiviert werden, in dem sich − über Mikrokanäle zwischen den Kammern − synaptische Kontakte zwischen verschiedenen Nervenzelltypen bilden können. In diesen Zellmodellen sollen dann die Struktur und Funktion der jeweils gebildeten Synapsen bestimmt sowie umfangreiche Untersuchungen zur Plastizität menschlicher Synapsen durchgeführt werden. Anschließend soll ermittelt werden, welche Effekte schmerzauslösende Stimuli bzw. mit pathologischem Schmerz assoziierte Bedingungen auf die Struktur und Funktion der Synapsen haben. Ferner sollen die Effekte von mit Schmerzsyndromen assoziierten Mutationen bzw. Polymorphismen auf die etablierten neuronalen Netzwerke untersucht werden. Dazu sollen entsprechende Mutationen in hES-Zellen erzeugt, die hES-Zellen in die o. g. Typen von Neuronen differenziert und ihre Eigenschaften in den oben beschriebenen neuronalen Netzwerken untersucht werden. Schließlich soll untersucht werden, ob sich die etablierten Zellmodelle zur Bestimmung der molekularen und zellulären Effekte schmerzlindernder Substanzen eignen, wofür insbesondere die Wirkung entsprechender Substanzen auf die synaptische Übertragung zwischen Neuronen sowie auf die Aktivität von Signalübertragungswegen überprüft werden soll, die an der Schmerztransduktion beteiligt sind.
Claudio Acuna Goycolea, Universitätsklinikum Heidelberg

Hintergrund der genehmigten Forschungsarbeiten ist die Assoziation von Erkrankungen aus dem Feld der Autismus-Spektrum-Störungen (ASS) mit Mutationen in Genen, die für synaptische Komponenten codieren. Daher sollen hES-Zellen für die Etablierung von Zellmodellen für die Untersuchung der molekularen und zellbiologischen Effekte spezifischer Mutationen mit potentieller Relevanz für ASS genutzt werden. Hierfür sollen – unter Verwendung eines innovativen und effizienten, auf der CRISPR/Cas-Technologie basierenden Mutageneseverfahrens – für synaptische Komponenten codierende Gene in hES-Zellen zunächst mono- oder biallelisch mit jeweils einer krankheitsassoziierten Mutation versehen und entsprechende genetisch stabil veränderte hES-Zell-Linien etabliert werden. Nach ihrer umfassenden Charakterisierung sollen die hES-Zellen dann unter Verwendung etablierter Vorgehensweisen in Neurone und Astrozyten differenziert, diese zur Etablierung neuronaler Netzwerke genutzt und in diesen Netzwerken die Effekte der pathogenen Mutationen auf die Eigenschaften der Neurone und auf deren Funktionalität bestimmt werden. Insbesondere sollen umfassende Untersuchungen zur Struktur, Ultrastruktur und zu den elektrischen Eigenschaften der Synapsen durchgeführt, deren molekularen Eigenschaften analysiert sowie mögliche mutationsbedingte Veränderungen in der Struktur und Funktion der Synapsen bestimmt werden.
Claudio Acuna Goycolea, Universitätsklinikum Heidelberg

Hintergrund des Forschungsvorhabens sind Hinweise darauf, dass eine verstärkte Methylierung in bestimmten Regionen des Gens für Proopiomelanocortin (POMC) mit einem erhöhten Risiko für die Entwicklung von Adipositas einhergeht. Dies könnte durch die Eigenschaften der POMC-Region bedingt sein, die die Kriterien eines sogenannten metastabilen Epiallels erfüllt. Im Rahmen der genehmigten Forschungsarbeiten sollen daher neuronale Zell- und Organoidmodelle etabliert werden, an denen frühe Vorgänge der Methylierung des POMC-Gens untersucht werden können. Dabei soll geklärt werden, wie variabel die Methylierung bestimmter Regionen des POMC-Gens ist und ob eine verstärkte Methylierung mit einer verminderten Expression dieses Gens (und folglich mit einer verminderten Sekretion von Melanozyten-stimulierendem Hormon, MSH) assoziiert ist. Hierfür werden geeignete hES-Zellen in den naiven Status überführt, in Richtung von Neuronen des Hypothalamus bzw. neuronaler Organoide differenziert und umfassend hinsichtlich der Methylierung des POMC-Gens und dessen Expression charakterisiert. Zudem soll zu Kontrollzwecken die Methylierung weiterer (bereits bekannter) metastabiler Epiallele untersucht werden. Im nächsten Schritt des Forschungsvorhabens soll dann bestimmt werden, ob und inwieweit die Präsenz sog. C1-Metaboloite und das Vorhandensein oder Fehlen transposabler Elemente (Alu-Elemente) die Methylierung der POMC-Gen-Region in sich entwickelnden menschlichen Neuronen beeinflusst. Dabei sollen auch Veränderungen in der Methylierung der mit der POMC-Gen-Region assoziierten Histone und deren Variabilität in Abhängigkeit von den genannten Bedingungen bestimmt werden. Zu Kontrollzwecken soll die Methylierung des POMC-Gens sowie weiterer metastabiler Epiallele auch in anderen aus hES-Zellen gewonnenen Zelltypen untersucht werden.
Moritz Mall, Deutsches Krebsforschungzentrum (DKFZ), Heidelberg