Projekte

Die zelluläre Antwort auf DNA-Schäden

Die Proteinkinasen „ATM“ und „ATR“, zwei Schlüsselenzyme, steuern die zelluläre Antwort auf DNA-Schäden. ATM wird vor allem durch DNA-Doppelstrangbrüche (DSB) aktiviert, ATR durch Einzelstrangbrüche oder nach einer Blockade der Replikationsgabel. Der Proteinkomplex „MRN“ (MRE11/RAD50/NBS1) fungiert dabei als Schadenssensor: Er erkennt die DSBs, veranlasst deren Reparatur und trägt so zum Erhalt der Genomstabilität bei. Ein Ziel unserer Forschung ist es, die Funktion der an der DNA-Schadensantwort beteiligten Moleküle zu verstehen.

Dazu untersuchen wir in Zellkulturen und am Mausmodell, wie eines der Proteine, Nbs1, mit dem Enzym ATR interagiert. Mithilfe unserer neuen, nichtinvasiven High-Content-Mikroskopie (hiMAC) konnten wir einen „zellzyklus-basierten DNA-Schadens-Fingerabdruck“ erstellen. Wir fanden heraus, dass ein Verlust von Nbs1 nicht unmittelbar zum Absterben der Zellen führt, sondern im weiteren Zellzyklusverlauf eine komplexe DNA-Schadensantwort hervorruft. Der Verlust von ATR führt hingegen gleich zum programmierten Zelltod (Apoptose). Zurzeit untersuchen wir die Rolle von ATR und Nbs1 bei der Entstehung altersbedingter Erkrankungen wie bspw. auch der Neuro(de)generation.

Die Rolle der Poly(ADP-Ribosyl)ierung

Die Poly(ADP-Ribosyl)ierung, auch PARylierung genannt, ist wohl die schnellste Reaktion auf DNA-Schäden – vor allem auf Einzelstrangbrüche und Replikationsstress. Die sogenannte Poly(ADP-Ribose)-Polymerase 1 (PARP1) erkennt dabei die DNA-Bruchstelle, bindet an sie und löst die Bildung von langen Polymerketten (PAR) aus. Die PARylierung und PARP1-Aktivität spielen auch bei vielen ellulären Prozessen eine wichtige Rolle, wie bei Transkription, Chromatin-Remodellierung, Zellvermehrung (Proliferation) und -tod  (Apoptose) sowie Entzündungs- und Alternsprozessen. Bisher weiß man wenig, wie Zielproteine z. B. das PAR-Signal wahrnehmen und die DNA-Schadensantwort regulieren. Um die Bedeutung der durch PAR-Homöostase und PARylierung geregelten biologischen Prozesse besser untersuchen zu können, arbeiten wir mit speziell gezüchteten Tiermodellen.

Neurogenese

Für die normale Entwicklung des Gehirns ist die strenge Kontrolle neuraler Stammzellen enorm wichtig. Die Modellierung des Chromatins – des Materials, aus dem Chromosomen bestehen – durch epigenetische Mechanismen spielt während der Stammzelldifferenzierung und Bildung von Nervenzellen (Neurogenese) eine bedeutende Rolle. Während der Histon-Acetylierung wird der gedrehte DNA-Strang an manchen Stellen „gelockert“, wodurch Transkriptionsfaktoren binden und die Gene ausgelesen werden können. Dieser Prozess wird ausgelöst durch Histon-Acetyltransferasen (HAT), die eine der Hauptregulierungsmöglichkeiten der Chromatin-Remodellierung sind.

Gelingt es uns, die epigenetische Modellierung des Histon-Status zu verstehen, dann könnten sich neue Wege eröffnen, um Medikamente zu entwickeln, mit denen sich die kognitiven Fähigkeiten älterer Menschen medikamentös verbessern lassen. Um die epigenetische Regulierung der Neurogenese (und möglicherweise der Neurodegeneration) zu untersuchen, arbeiten wir mit der induzierten Elimination von Co-Faktoren wie „Trrap“ im Mausmodell. Unsere bisherigen Arbeiten zeigen, dass Trrap und HAT für den Erhalt der Balance zwischen Selbsterneuerung und Differenzierung von Neuro-Stammzellen essentiell sind. Sie regulieren das Überleben und die Funktionalität postmitotischer Neuronen, um neurodegenerative Prozesse zu verhindern.