Juniorprojekt 2018

Thema: "Histonmodifikationen und genetisch bedingte Dystonie"

Laufzeit: 01.04.2018 - 30.09.2019

Juniorprojekt 2018

Thema: "Methodische Weiterentwicklungen radialer UTE-Akquisitionstechniken zur optimalen MRT­ basierten Darstellung von Sehnen und Bändern in-vivo"
Laufzeit: 01.10.2018 - 31.03.2020

Zusammenfassung:

Ziel des beantragten Projektes ist es, die methodischen Voraussetzungen für eine optimierte, MRT-basierte direkte Darstellung von Sehnen und Bändern in-vivo zu schaffen. Mit typischen, im klinischen Alltag eingesetzten MRT-Bildgebungsverfahren sind Sehnen und Bänder nicht signalgebend und können daher nur indirekt, d.h. als Auslöschungen bzw . schwarz erscheinende Strukturen, dargestellt werden . Dadurch können diese im Hinblick auf ihre morphologische Struktur sowie auf weitere wichtige, sie charakterisierende Parameter , wie beispielsweise Re­ laxationskonstanten, normalerweise nicht mit klinischen MRT-Sequenzen untersucht werden .

Inzwischen existieren jedoch mit den auf ultra-kurzen Echozeiten (UTE) basierenden MRT­ Bildgebungsverfahren Möglichkeiten, auch diese Gewebe im MRT signalgebend abzubilden. Diese Verfahren sind aktuell aber noch weitestgehend Gegenstand intensiver Forschungsbemü­ hungen und haben bislang auch noch keinen allgemeinen, weit verbreiteten Eingang in die klini­ sche Anwendung gefunden . Ziel des Projektes ist daher, die UTE-basierte MRT-Bildgebung methodisch weiterzuentwickeln und für eine optimierte Darstellung und Abgrenzung von Sehnen- und Bändern zu optimieren. Schlussendlich sollen diese weiterentwickelten Sequenzen an den MRT-Scannern des Universitätsklinikums Jena zur Verfügung stehen und in Verbindung mit den ebenfalls dazu entwickelten Rekonstruktionsalgorithmen die Voraussetzung schaffen, im Rahmen eines sich an dieses Vorhaben anschließenden drittmittelfinanzierten Projektes gemein­ sam mit medizinischen Partnern klinisch-orientierte Studien durchzuführen 

Juniorprojekt 2018

Thema: "Chromosomal fragile sites as markers of cancerogenic rearrangements – aspects of nuclear architecture and molecular localization."
Laufzeit: 01.05.2018 - 31.10.2019

Zusammenfassung:

Chromosomal fragile sites (CFSs) are genomic regions prone to form gaps or breaks on metaphase chromosomes. As CFSs often appear as hot spots for gross chromosomal rearrangements in cancer cells, it is of high clinical relevance to map CFSs genome-wide for better understanding of complex aberrant karyotypes and to predict their clinical prognosis. For now, CFSs have mainly been analysed in human lymphocytes but the method is also established for other tissues and model systems1. The mapping usually followed the traditional method by metaphase spreading and molecular cytogenetic definition. A new approach has become available recently to standardize this mapping to a high throughput and high resolution Next Generation Sequencing (NGS)-based genome-wide application2. The aim of my junior research project is to establish this novel method in human cells, implement it for tumor material to overcome conventional metaphase spreading and morphological definition by a state-of-the-art NGS approach. To expand the view on CFSs by specific functional analyses in disease-derived cell lines, aspects of nuclear localization as well as molecular positioning of CFSs will be investigated. Overall, the project aims to identify the connection between the fragility of certain genomic regions and cancer predisposing and premature aging related disorders.

Juniorprojekt 2018

Thema: "Aufklärung von molekularen Mechanismen und Signalwegen in der Progression des nicht-muskelinvasiven Harnblasenkarzinoms"
Laufzeit: 01.04.2018 - 30.09.2018

Zusammenfassung:

Das Urothelkarzinom der Harnblase ist eine häufige altersassoziierte Tumorerkrankung. Das zu 80% vorkommende nicht-muskelinvasive Karzinom (NMIBC) zeichnet sich durch eine hohe Rezidiv- und zum Teil hohe Progressionsrate zu muskelinvasiven Tumoren (MIBC) aus. Die molekularen Mechanismen, welche zur Progression des NMIBC führen, sind noch nicht aufgeklärt. Weiter fehlt es an molekularen Markern durch welche Patienten einer besseren risikoadaptierten Therapie zugeführt werden könnten. Durch genomweite Exom und 3‘/5‘ UTR Sequenzierungen von NMIBC und korrespondierenden MIBC konnten wir Stadien-spezifische Mutationen identifizieren, die mit der Karzinogenese und Progression assoziiert sein könnten. Ziel des vorliegenden Projektes ist die funktionelle Analyse der identifizierten Mutationen. Vor allem erstmals identifizierte Single-Nucleotide-Variationen (SNV) in den regulatorischen 5‘ und 3‘ UTR’s von Genen stehen im vordergründigen Interesse des Projektes. Auf dieser Grundlage soll ein Drittmittelantrag folgen, in welchem die Sequenzierung weiterer Patienten mit progredientem NMIBC und die Aufklärung molekularer Mechanismen und Signalwegen der Progression im Vordergrund stehen. Daraus könnten mögliche molekulare Marker und Therapietargets abgeleitet werden.

Juniorprojekt 2018

Thema: "Effekt von Colistin auf die Biofilmmatrix und die daraus resultierende Wechselwirkung mit der humanen Immunantwort"
Laufzeit: 01.04.2018 - 30.09.2019

Zusammenfassung:

Biofilme stellen die bevorzugte Lebensart von Bakterien auf biotischen und abiotischen Oberflächen dar. Dazu sezernieren sie eine extrazelluläre Matrix bestehend aus Proteinen, Kohlenhydraten und extrazellulärer DNA. In Biofilm eingebettete Bakterien haben eine bis zu 1000-fach erhöhte Toleranz gegen Antibiotika und sind vor dem Immunsystem weitestgehend geschützt. Biofilmassoziierte Infektionen, insbesondere durch S. aureus (z. B. Endokarditis, Protheseninfektionen, Osteomyelitis etc.), stellen daher eine therapeutische Herausforderung dar. Obwohl S. aureus eine natürliche Resistenz gegenüber Colistin besitzt, konnten wir einen matrixdestabilisierenden Effekt von Colistin auf S. aureus Biofilme zeigen. Dabei werden Bakterienzellen aus dem Verband herausgelöst und in die planktonische Phase entlassen. In diesem Projekt soll untersucht werden, ob die durch Colistin aus dem Biofilm freigesetzten Bakterien i) das Immunsystem stimulieren, ii) durch Antibiotika mit S. aureus Wirksamkeit eliminiert werden und der Biofilm dadurch eradiziert werden kann. Die klinische Translation dieses innovativen Ansatzes (Einsatz des in vitro nicht gegen S. aureus wirksamen Colistins gegen S.
aureus Biofilme ggf. in Kombination mit weiteren Antibiotika) wird perspektivisch erleichtert, da Colistin ein bereits zugelassenes Antibiotikum ist.

Juniorprojekt 2017

Thema:
"Bestimmung renaler Exosomen im Blut mittels der "Nanoparticle-Tracking Analyse" in Kombination mit fluoreszierenden Antikörpern zur Diagnostik der akuten Nierenschädigung“ (J 60)
Laufzeit: 01.04.2017 - 31.03.2019

Zusammenfassung:
Exomen sind membrangebundene extrazelluläre Vesikel (20-120nm), die u.a. der Zell-Zellkommunikation dienen und bei Zellstress/-schaden vermehrt freigesetzt werden. Vorarbeiten weisen darauf hin, dass ein Konzentrationsanstieg von Exomen, die von renalen Zellen abgegeben werden, ein sensitiver Marker für eine Nierenschädigung ist.

Zur Sicherstellung eines standardisierten, reproduzierbaren diagnostischen Einsatzes von Exosomen werden in diesem Projekt zuerst effektive Methoden einer zeitnahen Isolation von Exosomen aus dem Blut verglichen. Für die direkte Quantifizierung der Exosomen kommt die innovative optische Methode der „Nanoparticle-Tracking" Analyse (NTA) zum Einsatz. Durch Kombination der NTA mit spezifischen fluoreszierenden Antikörpern können gezielt Exosomen renalen Ursprungs im Blut gesunder Probanden und von Studienpatienten charakterisiert werden. Es soll nachgewiesen werden, dass ein Konzentrationsanstieg von renalen Exosomen der Bestimmung von Kreatinin und dem renalen Biomarker NGAL bezüglich der frühzeitigen Diagnose einer akuten Nierenschädigung (ANS) überlegen ist.

Das Ziel des Projektes ist die Vorbereitung einer förderfähigen prospektiven interventionellen Studie, die das Exosomenprofil zur Frühdiagnostik des ANS nutzt.

Rotationsstelle 2018

Thema: "Funktionelle Charakterisierung von Leukämie-Stammzellen in der chronischen myeloischen Leukämie (CML)"

Zusammenfassung:

Die chronische myeloische Leukämie (CML), die durch die balancierte Translokation t(9;22) und die resultierende Fusions-Kinase BCR-ABL ausgelöst wird, ist durch die Entwicklung von Kinase­ lnhibitoren in den vergangenen 15 Jahren gut behandelbar geworden. Patienten erreichen tiefe und lange anhaltende Remissionen, ohne dass jedoch der maligne Klon eliminiert werden kann. Daher muss die Therapie bislang lebenslang fortgeführt werden und ist auch mit Nebenwirkungen behaftet. Kürzlich konnte in klinischen Studien erstmals der Beleg erbracht werden, dass einige Patienten nach tiefer und langer Remission auch nach Absetzen der Kinase Inhibitoren dauerhaft in Remission verbleiben können. Mehr als die Hälfte der Patienten erleidet jedoch nach dem Absetzen einen molekularen oder hämatologischen Rückfall. Es ist bislang unklar ob die verbliebenen CML­ Stammzellen, die einen speziellen lmmunphänotyp tragen (Linien-Marker negativ, CD34+ CD38- CD26+) (a) aufgrund ihrer Persistenz zum Rückfallrisiko beitragen (b) in Abhängigkei t von ihrem Mikroenvironment und ihres Expressionsprofils kontrolliert werden können oder erneut in Proliferation gehen und (c) eine Abhängigkeit von der onkogenen Kinase BCR-ABL aufweisen. In diesem Projekt soll (i) die Abundanz der CML-LSC bei Patienten zur Diagnosestellung und in Remission immunphänotypisch quantifiziert werden, (ii) die funktionellen Eigenschaften dieser Zellen charakterisiert werden und (iii) deregulierte Zielstrukturen mittels RNAi validiert werden.

Rotationsstelle 2018

Thema: "Rolle der Mikroglia auf die synaptische Plastizität nach experimenteller Sepsis in-vivo"

Zusammenfassung:

Die synaptische Plastizität im zentralen Nervensystem ist der wesentliche zelluläre Mechanismus für Lern- und Gedächtnisfunktion. Erworbene Störungen der synaptischen Plastizität finden sich u.a. bei Demenzerkrankungen. Auch bei Patienten nach Sepsis sind schwerwiegende und langanhaltende neurokognitive Beeinträchtigungen häufig. In Vorarbeiten konnten wir zeigen, dass die gestörte synaptische Plastizität einen wesentlichen Pathomechanismus bei der experimentellen Sepsis-induzierten Enzephalopathie darstellt. Des Weiteren fanden wir eine ausgeprägte Aktivierung der ortständigen Mikroglia im Gehirn, die eine bedeutende Rolle bei der Modulierung synaptischer Plastizität haben.

Ziel dieses Forschungsprojektes ist den Einfluss der Mikrogliazellen auf die synaptische Plastizität zu ermitteln und in einem translationalen Ansatz zu prüfen, ob sich eine Depletion der Mikroglia nach experimenteller Sepsis positiv auf die gestörte Plastizität auswirkt. Dies soll in 3 Teilschritten erfolgen: 1) soll der Einfluss der Mikroglia-Depletion auf die synaptische Plastizität mithilfe der monokulären Deprivation und Langzeitpotenzierung im Hippocampus untersucht werden; 2) soll untersucht werden, ob die synaptische Plastizität in-vivo im experimentellen Sepsis-Modell beeinflusst wird; 3) Evaluation einer möglichen Verbesserung der synaptischen Plastizität durch Depletion der Mikrogliazellen. Durch dieses Forschungsprojekt sollen grundlegende pathophysiologische Mechanismen zur Ätiologie der Sepsis-assozii erten Enzephalopathie aufgeklärt und erste therapeutische Ansätze aufgezeigt werden.

Rotationsstelle 2018

Thema: "Real-Time Nah-Infrarot-Fluoreszenz-Endoskopie mit Indocyaningrün (NIR-ICG-FE) zur besseren Bestimmung des Tumorrandbereiches bei Kopf-Hals-Tumoren"

Zusammenfassung:

Bösartige Kopf-Hals-Tumoren (KHT) sind zu circa 90% Plattenepithelkarzinome (PEC) des oberen Aerodigestivtraktes (OADT). Risikofaktoren sind neben Tabakkonsum, Alkoholgenuss, HPV- und EBV-Viren. Bei resektablen Tumoren ist die Chirurgie Therapie der Wahl. Die intraoperative exakte Bestimmung der Tumorgrenzen ist bisher nicht möglich. In 7,5-10% besteht eine prognostisch ungünstige unvollständige R1-Resektion. In Vorarbeiten wurde gezeigt, dass NIR-ICG-FE mit ICG zur Bestimmung von Tumorgrenzen von PEC im OADT helfen kann und dass sich ICG mittels multispektraler optoakustischer Tomographie (MSOT) in 3D im Tumorrandbereich lokalisieren lässt. Ziel der Forschungsrotation ist zunächst einen konkreten Arbeitsablauf für die Kombination von NIR-ICG-FE mit ICG und der MSOT zu erarbeiten. Darauf aufbauend soll mit Methoden der digitalen Bildverarbeitung, dem so genannten „Deep-Learning“, ICG in der Mikroarchitektur der Tumorrandbereiche anhand Fluoreszenz-immunhistochemischer Schnitte charakterisiert und lokalisiert werden. Die Forschungsrotation soll dazu dienen das langfristige Ziel einer intraoperativen Anwendung der MSOT in Kombination mit NIR-ICG-FE zur besseren Bestimmung von Tumorgrenzen zu erreichen. Aus dem Forschungsprojekt soll ein DFG Projektantrag durch den Projektverantwortlichen als Erstantragsteller entstehen.

Rotationsstelle 2018

Thema: "ASXL I and DNMT3A mutations in chronic myeloid leukemia"

Zusammenfassung:

Recent studies have revealed the important role of impaired epigenetic mechanisms to different hematologic malignancies. The most frequently mutated epigenetic regulator genes are ASXL l and DNMT3A. Because of its significance in pathogenesis of haematologic malignances and the potential for target medication, mutations within these genes are nowadays one of the main subjects in the field of epigenetic medical research.

ASXL l is a member of the polycomb family of proteins and able to both silence and enhance gene expression by chromatin remodelling. DNMT3A belongs to the DNA methyltransferase family and is involved in de novo methylation of cytosine residues. Mutations within both of these genes are described as possibly contributing factors to leukemogenesis by changing global methylation level.

Preliminary work in the research group of PD Dr. Ernst has shown that ASXL l and DNMT3A were among the most frequently mutated epigenetic regulator genes within a cohort of 100 CML patients (CML-V study, TIGER). These patients are already undergoing therapy with the tyrosine kinase inhibitor nilotinib, which approval for medical use improved the prognosis for CML patients dramatically. However, the fact that some of these patients also acquire mutations within epigenetic regulators, brings up the possibility of including demethylating agents, such as 5-azacytidine, for a better therapy response or treatment-free remission.

The aim of this research project is to further investigate the functional consequences of ASXL l and DNMT3A mutations in CML. As a study cohort, patients from the CML-V study (TIGER) with previously detected mutations will be selected: ASXLl mut (n=12); DNMT3A mut (n=4). Clonal architecture of mutations will be investigated using colony assays. Consequences of ASXL l and DNMT3A mutations on mRNA expression level will be analyzed by quantitative RT-PCR. The effect on global methylation level will be analyzed by Alu-I and LINEl methylation assays. The clinical impact of ASXL l and DNMT3A mutations will be analyzed based on the achievement of a molecular remission (MMR) at month 18 according to the study protocol. Finally, the impact of the demethylating agent 5-azacytidine alone and in combination with tyrosine kinase inhibitors (TKis) will be investigated in vitro using CML cell line models with and without ASXL1/DNMT3A mutations.

These investigations should allow conclusions to be drawn on a previously unknown fact, whether CML patients with acquired epigenetic mutations could potentially benefit from including demethylating agents in their therapy. Improved understanding of epigenetic dysregulation could also be valuable for developing new therapies in CML.

The planned research work will be done in the research group of PD Dr. med. Thomas Ernst (Dept. of Hematology and Interna! Oncology of the Department ofinternal Medicine II, UKJ, Head: Prof. Dr. med. Andreas Hochhaus)

Rotationsstelle 2018

Thema: "Untersuchung zum Einfluss genetischer Variationen auf die kardiale autonome Funktion bei schizophrenen Patienten"

Zusammenfassung:

Die schizophrene Erkrankung geht mit einer verkürzten Lebenserwartung von 15 bis 20 Jahren einher. Ein Großteil der erhöhten Mortalität ist dabei auf kardiovaskuläre Erkrankungen zurückzuführen. Aus Untersuchungen mit nahen Verwandten Betroffener ergeben sich eindeutige Hinweise für einen genetischen Zusammenhang zwischen kardial autonomer Dysfunktion, als maßgeblichen Faktor für die erhöhte kardial bedingte Mortalität, und der schizophrenen Erkrankung. Insgesamt wird für die schizophrene Erkrankung eine Heritabilität von ca. 80 % angenommen, auch wenn der Vererbungsmodus weiterhin unklar ist. In Genomweiten Assoziationsstudien zur Schizophrenie wurden diverse Genloci identifiziert, die neben ihrem möglichen Einfluss auf die Krankheitsentstehung im ZNS auch im kardialen Gewebe hoch exprimiert sind. Zur Aufklärung pathophysiologischer Mechanismen sind Untersuchungen zu phänotypischen Auswirkungen der genetischen Varianten auf die veränderte kardiale Funktion schizophrener Patienten chancenreich. Durch Genotypisierung entsprechender Single-Nucleotide-Polymorphismen in diesen Genloci, beabsichtigt die vorliegende Untersuchung schizophrene Patienten und gesunde Kontrollen entsprechend ihrer Allele in Risikogruppen einzuteilen, um dann in einem zweiten Schritt zu untersuchen, ob Unterschiede in Parametern der Herzratenvariabilität, als etabliertes Verfahren zur Erfassung kardial autonomer Dysfunktion, zwischen den gebildeten Risikogruppen im Patienten- und Kontrollkollektiv vorliegen

Rotationsstelle 2018

Thema: "Entwicklung einer Färbemethode zur Beurteilung der Vitalität des Knochens zum intraoperativen Einsatz"

Zusammenfassung:

Sekundäres Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines neuartigen ex vivo Testverfahrens zur intraoperat iven Testung der Knochenvitalität . Damit wäre es erstmals möglich, unmittelbar am Patienten ein valides, sicheres und einfach anzuwendendes Verfahren dem Anwender zur Verfügung zu stellen . Hierfür ist ein geeigneter Farbstoff die Grundvoraussetzung, um das Vorhaben zu realisieren. Die bisher erfolgte Suche nach einem entsprechenden Farbstoffkandidaten, der die Anforderungen erfüllt scheite rte. Primäres Ziel der beantragten Rotationsstelle ist die Entwicklung eines geeigneten Farbstoffes der nicht dem Medizinprodukte-Gesetz unterliegt, jedoch am Patienten ex vivo / an Biopsie­ Proben eingesetzt werden kann. Die Entwicklung des entsprechenden Testverfahrens könnte somit fortgesetzt werden.

Rotationsstelle 2017

Thema:
"Funktionelle Konnektivitätsmaße zur Vorhersage von Rehabilitationspotential und klinischem Outcome nach Schlaganfall Reha-Conn "

Zusammenfassung:
Der Schlaganfall stellt in den westlichen Industrieländern die häufigste Ursache einer langfristigen Behinderung dar. Bisher gibt es keinen prognostischen Marker zur Vorhersage der Funktionserholung im Rahmen der Rehabilitationsmaßnahmen. Kernhypothese der aktuellen Arbeit ist, dass die kurzfristige zerebrale Adaptationsfähigkeit ein Prädiktor für das langfristige Rehabilitationspotential ist. Eine Bestimmung der individuellen Plastizitätsbereitschaft und somit eine Vorhersage des Rehabilitationsergebnisses kann somit bereits vor Durchführung der Rehabilitation erfolgen. Hierfür planen wir die Quantifizierung der kurzfristigen zerebralen Adaptationsfähigkeit über eine Bestimmung zerebraler Konnektivitätsveränderungen mittels eines kurzen motorischen Lernparadigmas. Diese Konnektivitätsdaten werden mit dem individuellen Schädigungsmuster und den erzielten Rehabilitationsergebnissen als auch den Ergebnissen einer funktionellen Zweitmessung verglichen, um die Vorhersage langfristiger Adaptationsprozesse zu evaluieren. Es sollen 44 Schlaganfallspatienten sowie 26 Kontrollen longitudinal (vor und nach der Rehabilitationsbehandlung bzw. eines Klaviertrainings [gesunde Kontrollen]) mittels Methoden der funktionellen Bildgebung (voxel-basierter Morphometrie, Resting state fMRT sowie task-related fMRT), einer sensomotorischen und einer neuropsychologischen Testbatterie untersucht werden. Die Studie wird dazu beitragen das Potential der individuellen Plastizitätsleistung von Schlaganfallpatienten zu beurteilen und Möglichkeiten bieten, Rehabilitationsansätze an solchen Ergebnissen auszurichten.

Förderung 2016

“Role of nuclear pore complex dysfunction in cell cycle-related neurodegeneration of the aging and diseased CNS”

Summary:

Perturbances in nucleo-cytoplasmic protein trafficking contribute to cellular pathology in several proteinopathies of the CNS including amyotrophic lateral sclerosis (ALS). Cytotoxicity of aggregated proteins is compartment-specific even at identical biochemical structure, as exemplified for ß-amyloid, mutated huntingtin, or TDP-43 [1,2]. As a putative novel class of molecules involved, we recently identified disturbances in the subcellular distribution of cell cycle (CC) regulatory Cdk4 and Cdk5, with Cdk5 featuring a striking nuclear reduction in α-motor neurons of hSOD1G93A transgenic mice, an animal model of familiar ALS. Nuclear Cdk5 is essential to maintain a continuous postmitotic state in neurons, whereas its nuclear depletion contributes to neuronal dysfunction and death by re-initiation of unscheduled, abortive CC activity [3-6].

Subcellular mislocalization of G1-regulatory Cdk4/5 is thus suggestive to cause cytotoxicity similar to TDP-43 and β-amyloid in ALS and Alzheimer pathology, respectively, through detrimental CC re-activation in neurons. The cellular and molecular cues regulating subcellular CC protein compartmentalization, however, are not yet understood. We assume that a dysfunction of the nuclear pore complex (NPC), the essential structure in mediating bidirectional trafficking and proper distribution of most proteins within the cell [7], is causal for CC protein displacement and related neuronal death observed in CNS aging and pathology. As a mechanism structurally and functionally associated with the NPC, we will further investigate nuclear lamina dispersion as a function of neurosenescence and ALS pathology.

In summary, the project will elucidate the interplay between nuclear membrane dysfunction and detrimental consequences of ‘replicative reprogramming’ in the context of CNS aging and exemplify it for ALS pathology. Therapeutic interference with pathomechanisms involved might open novel targets to prevent or halt age-related dysfunction and neurodegeneration in different disease entities, and carry fundamental and clinical relevance.

References:

1. Woerner AC, Frottin F, Hornburg D, Feng LR, Meissner F, Patra M, Tatzelt J, Mann M, Winklhofer KF, Hartl FU, Hipp MS. (2016) Cytoplasmic protein aggregates interfere with nucleocytoplasmic transport of protein and RNA. Science 351(6269):173-176.
2. Zhang K, Donnelly CJ, Haeusler AR, Grima JC, Machamer JB, Steinwald P, Daley EL, Miller SJ, Cunningham KM, Vidensky S, Gupta S, Thomas MA, Hong I, Chiu SL, Huganir RL, Ostrow LW, Matunis MJ, Wang J, Sattler R, Lloyd TE, Rothstein JD (2015) The C9orf72 repeat expansion disrupts nucleocytoplasmic transport. Nature 525(7567):56-61. 
3. Zhang J, Cicero SA, Wang L, Romito-DiGiacomo RR, Yang Y, Herrup K (2008) Nuclear localization of Cdk5 is a key determinant in the postmitotic state of neurons. Proc Natl Acad Sci U S A. 105(25):8772–8777.
4. Zhang J, Li H, Herrup K (2010) Cdk5 nuclear localization is p27-dependent in nerve cells: implications for cell cycle suppression and caspase-3 activation. J Biol Chem 285(18):14052-61.
5. Zhang J, Li H, Yabut O, Fitzpatrick H, D'Arcangelo G, Herrup K (2010) Cdk5 suppresses the neuronal cell cycle by disrupting the E2F1-DP1 complex. J Neurosci 30(15):5219-28. 
6. Zhang J, Herrup K (2011) Nucleocytoplasmic Cdk5 is involved in neuronal cell cycle and death in post-mitotic neurons. Cell Cycle 10(8):1208-1214.
7. D’Angelo MA, Hetzer MW (2008) Structure, dynamics and function of the nuclear pore complexes. Trends Cell Biol 18(10):456-66. 

Förderung 2016

"Bone metabolism and Lipotoxicity in Obesity"

Summary:

This application addresses the mechanisms underlying bone loss in obesity. We will analyze fundamental molecular pathways regulating bone homeostasis in obesity and define how these are modulated in response to periodontal bacterial infection.

The central hypothesis of the application is that excessive accumulation of saturated palmitic acid (PA) and downstream lipotoxic metabolic intermediates impact bone metabolism and modulates how bone responds to periodontal bacterial infection in obesity. Aim 1 will systematically analyze how saturated PA impacts bone structure and remodeling. We will define which lipid metabolites accumulate in bone and surrounding tissue to identify potential molecular pathways that drive bone loss in obesity. In Aim 2, we will evaluate how osteoblast and osteoclast cellular interactions are influenced by elevated fatty acids (FA). Aim 3 will investigate molecular mechanisms regulating local alveolar bone loss in periodontal infections to determine the impact of inflammatory changes on bone catabolism in obesity. Further, we will test whether pharmacologic inhibition of ceramide metabolism reducing lipotoxicity affects periodontal bone loss in obese animals on a high fat PA diet. In summary, our studies will broaden the understanding of the growing obesity epidemic and test novel therapeutic strategies that may ultimately lead to the identification of targets for new innovative therapeutic interventions counteracting bone loss.

Förderung 2016

"The epigenetic modulation of cortical interneuron survival by the DNA- methyltransferase 1 (DNMT1) over life time"

Summary

Age-related constraints, like cognitive decline, deficits in sensory perception and motor performances of elderly, rather rely on structural and functional defects of particular neuronal cell- types than an overall neuronal loss. Dysregulated gene expression is thought to contribute to age- associated neuronal impairments, which in turn depend on genetic and epigenetic factors  [1].

Epigenetic gene regulation by DNA methylation, executed by DNA-methyltransferases (DNMTs), and histone modifications seem to be critical for the maintenance of neuronal health and function throughout the entire lifespan [3]. Our previous data provide evidence that in the mouse model system DNMT1 function is associated with a vulnerability of inhibitory cortical interneurons towards aging, which constitute essential key players of information processing in the cerebral cortex. Additionally, DNMT1 seems to be required for normal interneuron function in young mice, suggesting stage-dependent modes of action. In addition to DNA methylation, DNMTs interact with histone modifications, enabling various facets of epigenetic gene regulation [5]. Hence, the ultimate goal of this proposal is to approach the diverse DNMT1-dependent epigenetic mechanisms of transcriptional control that contribute to the loss of cortical interneurons in aged mice by integrating its function in modulating neuronal activity over life time.

Project-related publications

Zimmer G, Garcez P, Rudolph J, Niehage R, Weth F, Lent R, Bolz J. Ephrin-A5 acts as a repulsive cue for migrating cortical interneurons. Eur J Neurosci 2008; 28:62-73.
Zimmer G, Schanuel SM, Burger S, Weth F, Steinecke A, Bolz J, Lent R. Chondroitin Sulfate Acts in Concert with Semaphorin 3A to Guide Tangential Migration of Cortical Interneurons in the Ventral Telencephalon. Cerebral Cortex 2010; (10):2411-22
Rudolph J, Zimmer G, Steinecke A, Barchmann S, Bolz J. Ephrins guide migrating cortical interneurons in the basal telencephalon. Cell Adh Migr 2010; 4.
Zimmer G, Rudolph J, Landmann J, Gerstmann K, Steinecke A, Gampe C and Bolz J. Bidirectional ephrinB3/EphA4 signaling mediates the segregation of MGE‑and POA derived interneurons in the deep and superficial migratory stream. J Neurosci 2011; 31(50):18364-80.
Rudolph J, Gerstmann K, Zimmer G, Steinecke A, Döding A and Bolz J. A dual role of EphB1/ephrinB3 reverse signaling on migrating striatal and cortical neurons originating in the preoptic area: should I stay of g  o away? Frontiers in Cellular Neuroscience. 2014 July; 18 (8)
Steinecke A, Gampe C, Zimmer G, Rudolph J, Bolz J. EphA/ephrin-A Reverse Signaling Promotes the Migration of MGE-derived Cortical Interneurons. Development. 2014 Jan;141(2):460-71.
Rüdiger T, Zimmer G , Barchmann S, Castellani V, Bagnard D and Bolz J. Integration of opposing semaphorin guidance cues in cortical axons. Cerebral Cortex 2013 Mar;23(3):604‑14
Blümel L, Pensold D, Khundadze M and Zimmer G. Curbing Methylation: A Key to Eternal Youth And Vigor?International Journal of Neural Science and Brain Research. 2014 August.
Gerstmann K, Pensold D, Symmank J, Khundadze M, Hübner Ch, Bolz J and Zimmer G. Thalamic afferents influence cortical progenitors via ephrinA5/EphA4 interactions. Development. 2015 Jan 1;142(1):140-50
Gerstmann K and Zimmer G. Fine-tuning of cortical progenitor proliferation by thalamic afferents. Neural Regen Res. 2015 June 10(6):887-8
Pensold D, Symmank J, Hahn A, Rotzsch A, Haag N, Andreas N, Schubert K, Salinas-Riester G, Downie BR, Ludewig F, Hübner CA, Pieler T & Zimmer G. DNMT1 controls the migratory shape and dynamics of immature cortical interneurons. In Revision.

Förderung 2018

"Targeting the interaction between bone marrow stromal cells and malignant plasma cells to inhibit multiple myeloma disease progression"

Summary

Multiple myeloma (MM), one of the most prevalent hematological malignancies, affects mainly elderly individuals (median age at diagnosis 69 years). Despite progresses made, MM is still incurable and treatment of older patients is a challenge, due to reduced tolerability and high rate of side effects. One of the most important characteristics of MM is the dependency of the MM cells for their growth and survival on the interaction with bone marrow stromal cells (BMSCs). Another important feature of MM is that it develops following a multistep process, from premalignant stages to active and aggressive stages. Only few genetic changes occur in the transition from the presymptomatic condition to active MM, suggesting that other mechanisms also play a role in disease progression. We hypothesize that disease progression is influenced by molecular changes in BMSCs. To test our hypothesis, BMSCs derived from MM patients in different disease phases will be investigated from a genetic and metabolic point of view, alone and after co-culture with MM cell lines. Identification of differences in BMSCs as well as in the co-cultured MM plasma cells will provide a deeper insight into MM pathobiology. Furthermore, a focused screen of epigenetic drugs will be performed, aiming to find new combination therapies that, with low toxicity, could potentially prevent MM progression by interference in the crosstalk between BMSCs and MM cells.

Förderung 2018

"Effects of physiological and pathological trophoblast-derived extracellular vesicles on the blood-brain-barrier and microglia"

Summary

During pregnancy, biochemical and structural changes in the brain adapt maternal physiology and behavior to ensure offspring survival. Remarkably, little is known about the molecular and cellular mechanisms that govern these processes and how they are influenced by pregnancy pathologies. Placental cells release extracellular vesicles (EVs) into the maternal blood as a mechanism of maternal-fetal communication. Although evidence shows that placental EVs mediate immune tolerance and cardiovascular adaptations in the maternal organism, their functions in the nervous system remains to be investigated. We hypothesize that placental EVs induce changes in the blood brain barrier (BBB) and modulate microglia cell responses. Moreover, these EVs may be the missing link between the placenta and neurologic manifestations of pre-eclampsia. A 3D BBB model in a microfluidic biochip will be employed to investigate BBB structure and properties under the effects of healthy and pre-eclamptic placental EVs. Additionally, mechanisms of placental EV uptake by microglia cells and their activation will be investigated. This proposal strengths a new research field in our group focused on understanding the biological mechanisms involved in the communication between placenta and brain in normal and pathological human pregnancies.

Förderung 2018

"Expansion of radial glia-like stem cells by modulation of intracellular chloride concentration in the hippocampal dentate gyrus during aging"

Summary

Aging is the most important contributing factor for the decrease of radial glia-like stem cells (RGLs) and neurogenesis in the healthy brain. The underlying causes of this age-dependent decline may comprise an increase in RGL quiescence or reduction of RGL self-renewal. We previously determined a cation chloride co-transporter Na+-K+-2Cl− (NKCC1) dependent activation of RGLs that resulted in an increase of RGL self-renewal in the hippocampal dentate gyrus during aging. NKCC1 is predominantly expressed in neural precursor cells and drives Cl− influx. However, the underlying mechanisms of intracellular chloride levels on RGL activation during aging are as yet unknown and are the aim of the present proposal. The research work will be undertaken in three project steps A, B & C. In the first project, we intend to identify the frequency and mode of RGL division (Project A) using the cell cycle indicator mouse model. In the second set of experiments, we will determine the chloride-dependent changes in the RGLs using optogenetic approaches employing halorhodopsin mice (Project B). In the third project, we aim to elucidate the underlying mechanisms of RGL self-renewal by focusing on single cell RNA sequencing (Project C). Determining the dynamics of RGL self-renewal is essential to understanding the mechanisms of the declining potential of RGLs for repair during aging.