Forschung
Molekulare Mechanismen der Funktionsstörung von RNA-bindenden Proteinen bei neurodegenerativen Erkrankungen
Unsere Forschung konzentriert sich auf die molekularen Mechanismen neurodegenerativer Erkrankungen, insbesondere ALS (Amyotrophe Lateralsklerose), FTD (Frontotemporale Demenz) und Alzheimer (AD). Diese fortschreitenden, altersbedingten Erkrankungen stellen eine enorme Belastung für Patienten und Angehörige dar. Bestehende Therapien sind nur auf die Behandlung der Krankheitssymptome ausgerichtet, und es gibt keine Therapien, die das Fortschreiten der Krankheit verlangsamen oder stoppen können. Das Hauptziel unserer Forschung ist es, ein molekulares Verständnis der Mechanismen zu erlangen, die diese verheerenden Erkrankungen auslösen, um neue therapeutische Ansätze zu entwickeln.
Ein gemeinsames pathologisches Merkmal aller neurodegenerativen Erkrankungen ist die Ansammlung unlöslicher Proteinaggregate in degenerierenden Hirnarealen. Diese Proteinablagerungen finden sich in Neuronen und Gliazellen und stehen in engem Zusammenhang mit dem Prozess der Neurodegeneration. Bei ALS und FTD, zwei klinisch und genetisch verwandten Erkrankungen, sind die wichtigsten aggregierenden Proteine die ubiquitär exprimierten RNA-bindenden Proteine (RBPs) TDP-43 und FUS. TDP-43-Aggregate treten bei der Mehrheit der ALS- und FTD-Patienten sowie bei bis zu 60 % der AD-Patienten auf. Im Gegensatz dazu sind FUS-Aggregate bei ALS- und FTD-Patienten weniger häufig.
TDP-43 und FUS liegen normalerweise im Zellkern vor, wo sie wichtige Schritte in der -Prozessierung von RNA und der Reparatur von DNA-Schäden regulieren. In den betroffenen Hirnregionen der Patienten aggregieren sie jedoch stattdessen im Zytoplasma von Neuronen und Gliazellen (Abbildung 1). Es wird angenommen, dass dies durch eine Kombination aus Funktionsverlust- und Funktionsgewinnmechanismen, z. B. gestörte RNA-Verarbeitung und erhöhte DNA-Schäden, zu Störungen neuronaler Funktionen und schließlich zu Neurodegeneration führt. Daher lauten die entscheidenden Fragen: Was verursacht die Fehllokalisierung und Aggregation dieser RBPs bei der Erkrankung und wie könnte man diese pathologischen Veränderungen möglicherweise verhindern oder rückgängig machen?
Abbildung 1: RNA-bindende Proteinpathologie bei ALS und FTD.
ALS und FTD sind verwandte Erkrankungen, die sich in ihren klinischen Symptomen überschneiden. Eine molekulare Gemeinsamkeit ist die Fehllokalisation und zytosolische Aggregation der RNA-bindenden Proteine (RBPs) TDP-43 und FUS in den Neuronen und Gliazellen degenerierender Hirnregionen. Es wird angenommen, dass die RBP-Pathologie die Neurodegenereation vorantreibt.
Frühere Forschungen in unserem Labor haben gezeigt, dass die Fehllokalisierung und Aggregation von RBPs bei Erkrankungen in engem Zusammenhang mit molekularen Defekten in folgenden Bereichen stehen: 1) nukleozytoplasmatischer Transport, 2) Kontrolle der Phasentrennung und Stressgranula und 3) posttranslationale Modifikationen (PTMs) (Abbildung 2). Dies basiert auf unserer Erkenntnis, dass Mutationen im Kernlokalisierungssignal oder eine beeinträchtigte Funktion des Kernimportrezeptors den Import von RBPs in den Kern bei ALS- und FTD-Patienten stören können (Dormann et al., EMBO J 2010; Hutten et al., Cell Reports 2020). Die RBPs mislokalisieren dann in das Zytosol und reichern sich in Stressgranula an, was durch abnormale Phasentrennung zu pathologischen RBP-Aggregaten führen kann (Hofweber et al., Cell 2018; Alberti & Dormann, Annu Rev Genetics 2019). Darüber hinaus haben wir festgestellt, dass posttranslationale Modifikationen (PTMs), z. B. die Argininmethylierung von FUS und die Phosphorylierung von TDP-43, bei Erkrankungen fehlreguliert sind und den Kernimport, die Phasentrennung und die Aggregation dieser RBPs beeinflussen können (Dormann et al., EMBO J 2012; Hofweber et al., Cell 2018; Gruijs da Silva et al., EMBO J 2022). Interessanterweise scheinen abnormale Phasentrennung und Störungen des Kerntransports und von PTMs auch bei anderen neurodegenerativen Erkrankungen eine Rolle zu spielen, z. B. bei der Huntington-Krankheit und Tauopathien, die mit einer pathologischen Aggregation des Mikrotubuli-bindenden Proteins Tau einhergehen. Ein wichtiges Ziel unserer Forschung ist es, diese Defekte auf molekularer Ebene zu verstehen. Durch das Verständnis der molekularen Grundlagen der Fehllokalisierung und Aggregation von RBP hoffen wir, neue therapeutische Ansätze zur Behandlung neurodegenerativer Erkrankungen anzuregen.
Abbildung 2: Zentrale Pathomechanismen, die zur Fehllokalisation und Aggregation von RBP bei Erkrankungen beitragen.
(1) Defekte beim Kernimport, die durch genetische Mutationen oder fehlerhafte Importrezeptoren entstehen, können zur zytosolischen Akkumulation von krankheitsassoziierten RBPs führen.
(2) Fehllokalisierte RBPs reichern sich in Stressgranula an, was durch abnormale Phasentrennung zu pathologischen Aggregaten führen kann. Dieser Prozess kann unter anderem durch Importrezeptoren und PTMs gesteuert werden.
(3) PTMs, die bei Erkrankungen verändert sind, können den Kernimport, die Phasentrennung und die Proteinfunktion regulieren. Sie sind jedoch noch weitgehend unverstanden.
Forschungsziele und Fragestellungen
Das primäre Ziel unserer Forschung ist es, die molekularen Mechanismen zu entschlüsseln, die der Fehllokalisierung und Aggregation von RBPs im Zusammenhang mit neurodegenerativen Erkrankungen zugrunde liegen. Außerdem möchten wir die physiologischen Funktionen von RBPs im Zusammenhang mit Neurodegeneration verstehen, wie sie reguliert werden und wie dysfunktionale RBPs Neurodegeneration verursachen. Unser langfristiges Ziel ist es, die Kontrollmechanismen zu verstehen, die die Widerstandsfähigkeit der Zellen gegenüber Stress aufrechterhalten und sie vor Proteinaggregation und Neurodegeneration schützen, um so ein gesundes Altern zu ermöglichen.
Wir interessieren uns für folgende Forschungsfragen:
(1) Rolle des Kerntransportmechanismus bei Neurodegeneration und Alterung:
Welche zellulären Proteine benötigen die Interaktion mit Kerntransportrezeptoren im Zytoplasma und aggregieren, wenn die Transportrezeptoren begrenzt sind? Wie werden die Konzentrationen der Kerntransportrezeptoren in verschiedenen Zelltypen/während des Alterungsprozesses reguliert? Können FUS und TDP-43 neben den uns bekannten kerntransportrezeptoren auch alternative Kerntransportrezeptoren nutzen? Wie beeinflussen verschiedene Proteinaggregate die Transportraten zwischen Kern und Zytoplasma? Interagieren sie mit dem Kernporenkomplex und verändern diesen?
(2) Phasentrennung von krankheitsassoziierten Proteinen – funktionelle Relevanz und Kontrollmechanismen:
Wie beeinflusst die Phasentrennung die normalen physiologischen Funktionen von TDP-43 und FUS, z. B. RNA-Bindung, RNA-Verarbeitung und DNA-Schadensreparatur? Welche Bindungspartner und PTMs kontrollieren die Phasentrennung von TDP-43 und FUS? Wie geht der zelluläre Proteinabbauapparat (Proteasom, Autophagie) mit einer abnormen RBP-Phasentrennung um? Beeinflussen Proteine, die bei neurodegenerativen Erkrankungen koaggregieren, z. B. TDP-43 und Tau bei AD, gegenseitig ihre Phasentrennung und ihr Aggregationsverhalten? Und schließlich: Wie genau hängen Phasentrennung und Proteinaggregation miteinander zusammen?
(3) Posttranslationale Modifikationen von Proteinen, die mit Neurodegeneration in Verbindung stehen:
Welche PTMs finden sich unter normalen physiologischen Bedingungen im Vergleich zu zellulärem Stress und Krankheit in TDP-43 und FUS? Wie entstehen veränderte PTMs, z. B. eine verminderte Argininmethylierung von FUS und eine Hyperphosphorylierung von TDP-43, bei Erkrankungen? Wie beeinflussen krankheitsassoziierte PTMs in TDP-43 und FUS deren physiologische Lokalisierung, Funktion, makromolekulare Interaktionen und Phasentrennung/Aggregationsverhalten? Können wir krankheitsassoziierte PTMs modulieren, um der RBP-Pathologie entgegenzuwirken?
Experimenteller Ansatz
Wir untersuchen die komplexen, vielschichtigen Pathomechanismen von RBP-assoziierten neurodegenerativen Erkrankungen mit einem reduktionistischen Ansatz, der auf in-vitro-Rekonstitution in Kombination mit zellulären Experimenten basiert. Wir verwenden rekombinante Proteine, Protein-/RNA-Biochemie und Biophysik, um molekulare Vorgänge in vitro zu analysieren. Wir verwenden Zelllinien und neuronale Zellkulturmodelle, um das intrazelluläre Verhalten von RBP mithilfe verschiedener Bildgebungsverfahren (z. B. Konfokalmikroskopie, Live-Cell-Imaging) in Kombination mit biochemischen und zellbiologischen Methoden sowie Proteomik zu untersuchen. Im Rahmen von Kooperationen beziehen wir auch Tiermodelle und postmortale menschliche Gehirne in unsere Forschung ein.
Rekrutierung
Wir sind immer auf der Suche nach motivierten Studierenden und Postdocs, die sich unserem Team anschließen möchten! Wir sind eine internationale, vielfältige und enthusiastische Forschungsgruppe, die Wissenschaft, Teamarbeit und einen guten Laborgeist liebt.
Postdoc-Bewerber werden gebeten, sich per E-Mail an Dorothee Dormann zu wenden und einen Lebenslauf, eine Erklärung zu ihren Forschungsinteressen und die Namen von zwei Referenzpersonen beizufügen.
Doktoranden bewerben sich bitte über das Internationale Doktorandenprogramm (IPP) des IMB Mainz International PhD Programme (IPP) oder die Internationale Max-Planck-Forschungsschule für Zelluläre Biophysik (IMPRS-CBP) https://imprs-cbp.mpg.de/.