Genom-Biologie neurodegenerativer Erkrankungen

Prof. Dr. Peter Heutink

Forschungsschwerpunkte

Die Ursachen neurodegenerativer Erkrankungen sind noch weitgehend unbekannt, doch es gibt eindeutige Hinweise, dass genetische Risikofaktoren eine wichtige Rolle spielen. Die Identifikation solcher Risikofaktoren bietet uns wichtige Ansatzpunkte für die Untersuchungen der molekularen Prozesse, die einer Erkrankung zugrunde liegen, da diese in einem sehr frühen Stadium des Krankheitsprozesses eine Rolle spielen.

Die Forschung unserer Gruppe konzentriert sich daher auf die Identifikation genetischer Risikofaktoren neurodegenerative Erkrankungen wie etwa der Parkinson- und der Alzheimer-Krankheit, der Frontotemporalen Demenz/ Motoneuronenerkrankungen sowie der progressiven supranukleären Paralyse und Ataxie und die Charakterisierung der biologischen Auswirkungen dieser Mutationen und Risikofaktoren mittels molekluarbiologischer und genomischer Ansätze. Dies geschieht in enger Zusammenarbeit mit unseren klinischen Partnern (für eine Beschreibung unserer Ansätze siehe Jain S, Heutink P. From single genes to gene networks: high-throughput-high-content screening for neurological disease. Neuron. 2010 Oct 21; 68(2):207-17

Nachweis neuer genetischer Risikofaktoren

Um neue genetische Risikofaktoren zu identifizieren, untersuchen wir ganze Familien mit neurodegenerativen Erkrankungen, sowie große Kohorten sporadischer Fälle anhand der SNP-Array-Genotypisierung und MPS-Ansätzen (Massive Parallel Sequencing) wie etwa Whole Exome Sequencing und Whole Genome Sequencing. Prof. Heutink ist derzeit Mitglied des International Parkinsons Disease Genomics Consortium (IPDGC) und des International FTD Genetics Consortium.

Die Datenanalyse wird in enger Zusammenarbeit mit Dr. Javier Simón-Sánchez durchgeführt, der die Forschungsgruppe „Genetik und Epigenetik der Neurodegeneration“ leitet. Diese Forschungsgruppe wurde gemeinsam von der Abteilung für neurodegenerative Erkrankungen des Hertie-Instituts für klinische Hirnforschung (HIH) und der Forschungsgruppe für Genombiologie des Deutschen Zentrums für Neurodegenerative Erkrankungen (DZNE) gegründet. Das Hauptinteresse der Gruppe liegt auf der Genetik und Genomik neurodegenerativer Erkrankungen wie etwa der Parkinson-Krankheit (PD), der progressiven supranukleären Paralyse (PSP) oder der Frontotemporalen Demenz (FTD).

Die Forschungsgruppe „Genetik und Epigenetik der Neurodegeneration“ hat es sich zum Ziel gesetzt, die Interpretation bisheriger genetischer Erkenntnisse in überprüfbare biologische Hypothesen zu übertragen.

Wir sind daher bestrebt, die bisherigen Arbeiten auf dem Gebiet der genetischen Analysen auf eine breitere bioinformatische Grundlage auszudehnen, indem wir Genome Wide Association Study (GWAS)-Treffer und Next Generation Sequencing (NGS)-Varianten aus Whole-Exome-Sequencing-, gezielten Resequenzierungs- und Whole-Genome-Sequencing-Ansätzen mit Expressionsdaten aus RNA-Sequencing- (RNAseq) und Capped Analysis of Gene Expression (CAGE)-Experimenten kombinieren.

In Verbindung mit den genannten epigenetischen Daten, wird dieser Ansatz uns ermöglichen, die genetischen (oder genomischen) Mechanismen besser zu verstehen, die der Ätiologie verschiedener neurodegenerativer Erkrankungen zugrunde liegen.

Die Biologie genetischer Risikofaktoren verstehen

Die Identifikation neuer genetischer Risikofaktoren ermöglicht es uns, die biologischen Auswirkungen auf die betroffenen Signaltransduktionswege an menschlichen post mortem Gehirnen und Zellmodellen, einschließlich primärer Neuronen oder induzierter pluripotenter Stammzellen (iPS) von Patienten zu untersuchen.

Wir nutzen zwei Hauptansätze um diese Erkenntnisse weiter zu untersuchen und um die biologischen Konsequenzen genetischer Mutationen zu erforschen.

Ein Ansatz zielt darauf ab, genetische Netzwerke zu unterteilen und zu untersuchen, auf die sich die Risikofaktoren auswirken. Dazu untersuchen wir die Genexpression in Gehirnen verstorbener Patienten und in Zelllinien wie Neuronen aus iPS Zellen von Patienten. Unser Ziel ist es, Modelle kompletter Transkriptionsnetzwerke zu erstellen, um die Schlüsselregulatoren der betroffenen Signaltransduktionswege zu identifizieren.

Wir nutzen MPS-basierte Genexpressionsanalysen für kodierende und nichtkodierende RNA-Expression (RNAseq, CAGE) und kombinieren diese durch integrative Bioinformatikanalysen mit epigenetischen und proteomischen Daten.

Diese Arbeiten erfolgen in enger Zusammenarbeit mit der „Dutch Brain Bank“ und der Gruppe für „Angewandte Genomik für neurodegenerative Erkrankungen“ am DZNE Tübingen, unter der Leitung von Dr. Patrizia Rizzu sowie der Forschungsgruppe „Genetik und Epigenetik der Neurodegeneration“ unter der Leitung von Dr. Javier Simón-Sánchez.

Um unsere Forschungsergebnisse zu bestätigen und zu erweitern und die Funktion identifizierter Gene und nichtcodierender RNAs zu verstehen, verfolgen wir einen zweiten Ansatz. Dabei nutzen wir Zellmodelle wie etwa Neuroblastomlinien und neuronal, differenzierte iPS-Zellen von Patienten, in denen wir spezifisch die Expression neu identifizierter genetischer Risikofaktoren oder Schlüsselregulatorgene sowie Transkripte identifizierter Signaltransdutkionswege verstärken oder hemmen. Auf diese Weise können wir auch die Signaltransduktionswege untersuchen, die den betroffenen Genen nachgeordnet sind . Wir verwenden hierzu eine Kombination aus Messwerten wie etwa Genexpression, epigenetischen Veränderungen und der Abbildung von Reporterkonstrukten oder Zellorganell-Morphologie.

Unsere iPS-basierten Modelle stammen entweder von Blut oder Fibroblasten von Patienten oder werden mittels CRISPR/Cas9-Genomeditierung generiert. Für unsere Experimente zur Hemmung der Genexpression und für zelluläre Screenings verwenden wir eine genomweite lentivirale shRNA-Bibliothek, die ursprünglich vom Broad Institute entwickelt wurde, sowie CRISPR/Cas9-Bibliotheken.

Für unsere zellulären Screenings haben wir ein automatisiertes Zellkultursystem mit integrierter Fluoreszenz- und konfokal Mikroskopie entwickelt, um komplexe Hochdurchsatz-Zelluntersuchungen zu ermöglichen. Dieses System ermöglicht Zelluntersuchungen mit hohem Durchsatz, durch die wir systematisch die Expression bei jedem Gen im Genom nicht nur temporär sondern auch dauerhaft stören und die Effekte analysieren können. Das derzeitige System in Tübingen wurde auf der Grundlage unserer Erfahrungen mit einem früheren System entwickelt (Jain SSondervan D, Rizzu, P, Bochdanovits, Z, Caminda D, Heutink P. (2011). The complete automation of cell culture: Improvements for high-throughput and high-content screening. Journal of Biomolecular Screening 16(8): 932-9;  Jain, S., van Kesteren, R. E., Heutink, P. High Content Screening in Neurodegenerative Diseases. J. Vis. Exp (59), e3452, doi:10.3791/3452 (2012)). Das System steht anderen Nutzern zur Verfügung. Bitte wenden Sie sich für weitere Informationen an Prof. P. Heutink.

Unser integrativer Ansatz konzentriert sich auf die Umwandlung genetischer Erkenntnisse in überprüfbare biologische Hypothesen an Zell- und Tiermodellen. Identifizierte Gene und Gen-Netzwerke können dann systematisch untersucht werden, um die am besten geeigneten Ansatzpunkte für die Entwicklung einer Therapie zu ermitteln (Jansen IE et al. Discovery and functional prioritization of Parkinson's disease candidate genes from large-scale whole exome sequencing. Genome Biol. 2017 Jan 30;18(1):22. doi: 10.1186/s13059-017-1147-9.).

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