Die Defeat Parkinson’s Platform Tübingen

Die Parkinson-Krankheit (PD) ist durch α-Synuclein-Ablagerungen in Form von Lewy-Körperchen und Lewy-Neuriten charakterisiert. Punktmutationen, ebenso wie Verdopplungen und Verdreifachungen des SNCA-Gens, verursachen erbliche Formen der PD sowie nichtkodierende Varianten bei der Beeinflussung des Krankheitsrisikos und der Progression bei Patienten mit sporadischer PD, wahrscheinlich durch Modulation der SNCA-Expression. Epigenetik, d.h. das Zusammenspiel der transkriptionellen Genaktivität, reguliert durch mehrfach interagierende Mechanismen, wie unter anderem Methylierung des Gen-Promotors, Hyston-Acetylierung und die Aktion von microRNAS, gehören zu einer noch relativ wenig untersuchten, aber potenziell bedeutenden Reihe von Prozessen, die genetische und umweltrelevante Risiken mit endogenen Prozessen verbinden könnten, wie zum Beispiel der Alterungsprozess bei der Verursachung dieser komplexen Funktionsstörungen. In dem eingereichten Projekt werden das Einzelzellen-Transkriptom- und Epigenom-Mapping von Post-Mortem-Material und verschiedene Modelle verwendet, einschließlich Neuronen von Patienten mit monogenen Formen der PD, um die deregulierten Netzwerke zu verstehen, die zum Absterben der dopaminerzeugenden Zellen führen.

(Thomas Gasser)

Neurodegenerative Erkrankungen, wie das Parkinson-Syndrom (PS), sind durch zahlreiche Veränderungen der Proteinzusammensetzung im Gehirn charakterisiert. Es ist jedoch offenkundig, dass die relevanten Hirnzellen während des Lebens praktisch unzugänglich sind. Vor kurzem wurde entdeckt, dass Neuronen und andere Zellen kleine membranöse Vesikel abstoßen, die kleine Anteile ihrer, als Exosom bezeichneten Zellplasmen enthalten. Diese Exosome lassen sich aus der CSF zurückgewinnen, aber in einem geringeren Umfang auch aus dem Blut. Solche von Neuronen stammende Exosome können angereichert werden, indem eigens auf neuronalen Zellmembranen exprimierte Antikörper an Proteinen verwendet werden. In diesen suchen wir nun mittels hochempfindlicher Untersuchungen nach den Krankheitsprofilen und den für das Stadium spezifischen Proteinprofilen.

(Thomas Gasser)

Bei der Whole-Exom Sequencing und der Whole-Genom-Sequencing (WES und WGS) an großen Patientenkohorten wurde in Patienten eine große Anzahl potenziell pathogener Genomvarianten gefunden, aber ein überzeugender Beweis ihrer Kausalität nur mit Genetik alleine ist schwierig. In ähnlicher Weise haben Genome Wide Association Studies (GWAS) eine große Zahl an Risk Loci zur Erkrankung identifiziert, die aber bislang noch nicht im Detail untersucht wurden, um die effektiv ursächliche Variante zu identifizieren. Unser Ziel ist die systematische Untersuchung aller in WES-/WGS-Studien identifizierten Varianten und aller den GWAS-Loci zugrunde liegenden Gene auf deren mögliche Beteiligung an der Pathogenese von PD, indem wir systematische Hochdurchsatz-/High-Content-Zellscreenings mit RNAi-Ansätzen verwenden. Wir werden die Effekte der genetischen Perturbationen mit einer Kombination aus mikroskopischen Ergebnissen und RNA-Sequenzierung messen, wodurch wir die molekularen Effekte jeder einzelnen Variante innerhalb einer neuronalen Zelle bei hoher Auflösung und in Relation zu den Prozessen messen können, die bei der Krankheit gestört sind.

(Peter Heutink)

Auch wenn für PD die Behandlung von Symptomen erfolgreich ist, gibt es keine Therapie, die den neurodegenerativen Prozess anhält oder verlangsamt. Wir nehmen an, dass es für das Misslingen klinischer Versuche drei Hauptgründe gibt: Erstens: die Auswahl der potenziellen Ziele zur medikamentösen Behandlung beruhen selten auf überzeugenden biologischen Nachweisen. Zweitens: der Prozess der Erkrankung beginnt Jahrzehnte bevor klinische Symptome beobachtet werden, und klinische Versuche an Patienten sind daher wahrscheinlich zu spät, um die Neurodegeneration umkehren zu können. Drittens: bei der Auswahl der Versuchsteilnehmer wurden größtenteils die ihrer Krankheit zugrunde liegende Biologie, die phänotypische Variation und ihr genetisches Risikoprofil ignoriert, woraus sich eine sehr heterogene Population von Fällen mit einer sehr unterschiedlichen Krankheitsprogression ergibt.

Daher beabsichtigen wir basierend auf dem Krankheitsmechanismus die Entwicklung eines neuartigen Konzepts für den Krankheitsbeginn und die Vorhersage des Verlaufs, sowie die anschließende Zielentdeckung und Patientenstratifizierung für PD. Unsere Ziele sind die Schaffung neuartiger Ziele auf Basis biologischer Nachweise mit präzise übereinstimmenden Kohorten für klinische Versuche, die personalisierte therapeutische Interventionen auf Grundlage genetischer und genomischer Risikoprofile und klinischer Subtypen zulassen.

Zur Erreichung unserer Ziele werden wir den Ansatz einer Systembiologie verwenden, indem wir multidimensionale klinische, genetische/genomische sowie biologische Risiken und Progressionsprofile für unsere Patienten und für gefährdete Personen erstellen, und diese Daten in Modelle der Genexpression zur Zielentdeckung und Vorhersage der Erkrankung sowie in Progressionsmodelle zur Patientenstratifizierung integrieren.

Dieses Projekt wird zum Teil von dem Michael J. Fox PATH to PD Programm finanziert, dessen Ziel die holistische Untersuchung bekannter Risiken und kausaler Faktoren zur Entdeckung eines allgemeinen Rahmenwerks ist, das dem Entstehen und der Progression der Parkinson-Krankheit zugrunde liegt (http://www.foundinpd.org/). Aus 100 induzierten pluripotenten Stammzellen-Linien werden wir dopaminerge Neuronen züchten, und fortschrittliche „Omik“-Techniken (z.B. Genomik, Proteomik, Metabolomik) verwenden, um aufzuzeichnen, wie verschiedene genetische Änderungen zu PD-assoziierten Änderungen an Zellen und Molekülen führen.

Ergänzt wird diese Arbeit durch das von EraCoSysMed finanzierte Projekt PD-Strat, dessen Ziel die Erstellung multidimensionaler klinischer, genetischer/genomischer und biologischer Risiko- und Progressionsprofile in unseren gut charakterisierten klinischen Kohorten, und die Verwendung dieser Risikoprofile in Zellmodellen ist, um neue Ziele auf Basis biologischer Nachweise zu identifizieren und auf gut definierten Patienten-Teilmengen für klinische Versuche geeignete Präzisionskohorten zu generieren.

(Peter Heutink)

Da Mutationen in der Proteinkinase LRR2K (Leucine-rich Repeat Kinase 2) an der Pathophysiologie sowohl der erblich bedingten, als auch der sporadischen PD beteiligt sind und zu erhöhter Kinase-Aktivität führen, wird dies als ein vielversprechendes Ziel zur medikamentösen Behandlung der Krankheit betrachtet. Neben der Kinasedomäne besitzt das Multidomänenprotein LRRK2 eine G-Domäne, die strukturell kleinen, Ras-ähnlichen G-Proteinen gleicht, allerdings mit einzigartigen biochemischen Merkmalen. Vor kurzem wurde gezeigt, dass LRRK2 durch die Phosphorylierung einer spezifischen Teilmenge von Rab-Proteinen an der Regulation des Vesikeltransports beteiligt ist. Die gegenwärtige Forschung lässt vermuten, dass LRRK2 an spezifischen Endomembranen im post-Golgi-Hohlraum aktive Komplexe bildet, und bei PD-Varianten von LRRK2 wurde gezeigt, dass sie Autophagie, ebenso wie mitochondriale Funktionen beeinträchtigen. Um die Entwicklung spezifischer und sicherer Medikamente für LRRK2-PD zu unterstützen, arbeiten wir gegenwärtig an einer umfassenden biochemischen Analyse in Kombination mit interatomarer und struktureller Biologie, um den Aktivierungsmechanismus von LRRK2 auf Molekül- und Atomebene zu identifizieren.

(Christian Johannes Gloeckner)

Das Gesamtziel unserer Forschung ist, zu verstehen, ob und wie die Wechselwirkung zwischen genetischem Risiko, altersbedingtem Stoffwechselrückgang und Immundysfunktion zur Entwicklung und Progression neurodegenerativer Erkrankungen, mit besonderem Schwerpunkt auf der Parkinson-Krankheit, beitragen. Mit etlichen neurodegenerativen Erkrankungen, darunter auch mit der Parkinson-Krankheit, wurden entzündungsfördernde Gene assoziiert. Wir wollen auf Zell- und Molekülebene verstehen, wie sich die mit der Krankheit assoziierten genetischen Varianten auf den Stoffwechsel von Immunzellen auswirken, und wie Immunreaktionen innerhalb oder außerhalb des Gehirns zur Neurodegeneration beitragen. Dies tun wir, indem wir Patienten-Neuronen aus induzierten pluripotenten Stammzellen mit Techniken zur Bearbeitung von CRISPR-Cas9 Genomen kombinieren.

(Michela Deleidi)

Heterozygote Mutationen im GAB-Gen stellen den häufigsten genetischen Risikofaktor für PD dar. Wir haben eine große Kohorte an PD-Patienten aufgebaut, die Träger einer GBA-Mutation sind (PDGBA). Unsere eigenen Ergebnisse von PDGBA-Patienten mit einem früheren Alter bei Krankheitsbeginn, die deutlichere nicht-motorische Symptome (kognitive Beeinträchtigungen, neuropsychiatrische Störungen und autonome Dysfunktionen) und eine raschere Krankheitsprogression aufwiesen, wurden in verschiedenen anderen Studien nachgebildet. Neben umfangreichen klinischen Daten wurde eine Unmenge an Biomaterial (Blut, CSF, Fibroblasten) gesammelt, die eine tiefgehende Biomarker-Analyse des lyosomalen Weges in Relation zu klinischen Phänotypen erlaubt. Wichtig ist, dass zwischen lyosomaler Insuffizienz und PD eine allgemeinere Beziehung besteht. Dies erlaubt eine wegspezifische Analyse zur Pathophysiologie und zu Behandlungsoptionen.

(Kathrin Brockmann)

α-Synuclein steht als genetischer Risikofaktor für PD an oberster Stelle, und das Protein ist der Hauptbaustein der Lewy-Körperchen, dem neuropathologischen Kennzeichen im Gehirn von PD-Patienten. Wir verwenden transgene Mäuse, die unter der Kontrolle eines Thy1 Promoters eine menschliche Mutante von A30P α-Synuclein exprimieren, welche die humane α-Synucleinopathie bis hinunter zur ultrastrukturellen Ebene rekapituliert. Das kognitive Verhalten von (Thy1)-h[A30P]αSYN-Mäusen wird auf eine vom Alter abhängige Art und Weise beeinträchtigt, höchstwahrscheinlich infolge der Entwicklung von Neuropathologie und neuronaler Dysfunktion innerhalb der Amygdala-Verschaltungen. Darüber hinaus sterben alte transgene Mäuse letztlich an lokomotorischer Schädigung, verursacht durch den Hirnstamm und spinale Motoneuronen-Erkrankung. Das Alter bei Krankheitsbeginn dieses terminalen Phänotypus wird durch Adipositas, verursacht durch fettreiche Ernährung, herabgesetzt (Rotermund et al. 2014). Wir untersuchen ferner in Zellkulturen und in vivo epigenetische Mechanismen, die von α-Synuclein beeinflusst werden (Sugeno et al. 2016).

(Philipp Kahle)

Die meisten erblichen PD-Fälle werden durch rezessive Mutationen im PARK2/PARKIN-Gen verursacht, was auch ein genetischer Risikofaktor für die sporadische PD sein kann. Das PARKIN-Gen-Produkt funktioniert als E3 Ubiquitin-Protein-Ligase für eine Vielzahl unverwandter Substratproteine. Wir untersuchen die Rolle, die Parkin bei der autophagischen Schwächung beschädigter Mitochondrien spielt. Parkin wird in einer PIN1-abhängigen Weise zu experimentell depolarisierten Mitochondrien rekrutiert, was in beiden Genen differentiell durch PD-Mutationen beeinflusst wird (Geisler et al. 2010). Parkin ubiquitiniert einen deutlichen Satz an Proteinen der äußeren mitochondrialen Membran auf eine äußerst komplexe Art. Wir untersuchen weiter die komplexe Regulation der PINK1/Parkin-regulierten Mitophagie, wofür wir auch High-Content-Imaging verwenden.

(Julia Fitzgerald)