Bilaterale Zusammenarbeit Deutschland - Frankreich

Epigenomik von Volkskrankheiten und altersbedingten Erkrankungen

Veränderte Lebensgewohnheiten und der demographische Wandel in Europa gehen mit einer Zunahme der Volkskrankheiten und der altersbedingten Erkrankungen einher. Die sozioökonomische Bedeutung dieser Erkrankungen ist immens, vor allem besonders häufige Erkrankungen wie Herz- Kreislauferkrankungen, neurodegenerative Erkrankungen oder metabolische Erkrankungen tragen dazu bei.

Ein besseres Verständnis der epigenetischen Mechanismen und Prozesse, die zu Volkskrankheiten und altersbedingten Erkrankungen führen, kann neue Ansätze in der Prävention, Diagnose und Therapie eröffnen. So kann langfristig der Weg für ein gesundes Alter geebnet werden.

Seit kurzem haben es wissenschaftliche Fortschritte ermöglicht, epigenetische Fragestellungen in systemischem Maßstab zu untersuchen, diese Herangehensweise definiert das Feld der Epigenomik. Hochwertige Epigenom Referenz-Karten und innovative Forschungskonzepte im Bereich der Epigenomik lassen einen signifikanten Beitrag zum Verständnis der komplexen Ursachen von Krankheiten des Menschen erwarten.

Die Epigenomik ist ein anspruchsvolles Feld, im Hinblick auf die Forschungsinfrastruktur und die wissenschaftliche Expertise, die notwendig sind, um epigenetische Fragen auf einer systemischen Ebene erfolgreich angehen zu können. Die Dimension der Epigenomforschung erfordert internationale Zusammenarbeit um Ressourcen zu bündeln und kritische Massen an Forschungskapazität und Personal zu generieren.

Vor diesem Hintergrund haben die französische Agence Nationale de la Recherche (ANR) und das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) beschlossen, Kräfte zu bündeln und eine gemeinsame Maßnahme zur Förderung der „Epigenomik von Volkskrankheiten und altersbedingten Erkrankungen“ durchzuführen. Ziel dieser Fördermaßnahme ist die Freisetzung von Synergien und die Generation von Mehrwert durch die Förderung von bi-nationalen, exzellenten und interdisziplinären Forschungskonsortien.

Derzeit geförderte Vorhaben:

EpiGlyco - Das Glyco-Epigenom in Typ 2 Diabetes

Helmholtz Zentrum München Deutsches Forschungszentrum für Gesundheit und Umwelt (GmbH) Institut für Molekulare Immunologie (IMI) Marchioninistr. 25 81377 München

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Prof. Dr. Dirk Eick 089 3187-1512 01KU1404 862.537 EUR 01.08.2014 - 31.07.2017

Die Ziele des Vorhabens sind es, dass humane O-linked-GlcNAc Epigenome zu beschreiben, Veränderungen des O-linked-GlcNAc Epigenomes in Typ-2 Diabetes (T2D) Patienten zu untersuchen, die Balance in der Modifikation von Histonen in Bezug auf Phosphorylierung und O-linked-GlcNAc in Patienten mit T2D zu bestimmen sowie Proteine zu identifizieren, die spezifisch an die O-linked-GlcNAc Modifikation in Histonen binden. Des Weiteren sollen Untersuchungen durchgeführt werden, wie die O-linked-GlcNAc Modifikation in Histonen mit Genaktivität korreliert. Um diese Ziele zu erreichen, werden monoklonale Antikörper (mAbs) verwendet, die O-linked-GlcNAc Modifikationen in Histonen spezifisch erkennen. Des Weiteren werden Chromatin-Immunpräzipitationsexperimente (ChIP) gekoppelt mit Hochdurchsatz-DNA-Sequenzierung vorgenommen. Das Vorhaben wird in vier Arbeitspaketen durchgeführt. Ein fünftes Arbeitspaket zur Analyse von Patientenmaterial wird in enger Zusammenarbeit von einem französischen Kooperationspartner durchgeführt.

 

Verbundprojekt: Epigenomik der Parkinson Krankheit

Die Parkinson-Krankheit (Morbus Parkinson) ist eine der häufigsten fortschreitenden Erkrankungen des zentralen Nervensystems im höheren Lebensalter. Bei der auch als Schüttellähmung bekannten Erkrankung sterben die Dopamin-produzierenden Nervenzellen im Gehirn ab. Der späte Beginn der Erkrankung, der chronische Verlauf sowie erste Forschungsergebnisse die eine abnorme DNA-Methylierung zeigen, deuten darauf hin, dass epigenomische Veränderungen bei der Pathophysiologie von Morbus Parkinson eine Rolle spielen. Daher soll hier umfassend das Vorhandensein und die funktionelle Relevanz epigenetischer Veränderungen bei der Parkinson Krankheit untersucht werden.

Funktionelle Analysen

Klinikum rechts der Isar der Technischen Universität München Ismaninger Str. 22 81675 München

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Prof. Dr. Günter Höglinger 089 4140-4606 01KU1403A 305.760 EUR 01.09.2014 - 31.08.2017

Zunächst werden eine anatomische Landkarte des Neuronen-spezifischen DNA-Methyloms in Einzelbasen-Auflösung sowie das microRNA Profil für das gesunde menschliche Hirn in Alters- und Geschlechts-definierten Gruppen als Referenz-Ressource erstellt. Dann sollen Veränderungen im DNA-Methylom und microRNA Profil in Neuronen von Parkinson Hirnen identifiziert werden. Effekte der Parkinson-spezifischen epigenomischen Veränderungen auf die Genexpression in menschlichen Hirnen werden untersucht. Die Anwesenheit der Parkinson-spezifischen epigenomischen Veränderungen im Blut von Patienten werden ebenfalls untersucht, um mögliche Biomarker zu identifizieren. Weiterhin werden das Vorhandensein und die funktionelle Bedeutung der Parkinson-spezifischen epigenomischen Veränderungen in kultivierten Neuronen aus induzierbaren pluripotenten Stammzellen (IPS) von Patienten und Kontrollen, sowie aus primären humanen Vorläuferzellen analysiert, um deren Bedeutung als primäre Krankheitsursachen oder sekundäre Krankheitskonsequenzen zu differenzieren. Neben der Koordination der Arbeit des gesamten Konsortialprojektes wird der letztgenannte Aspekt der wesentlich Fokus des Teilprojektes sein.

 

Post mortem Gehirne von Patienten und Kontrollen

Ludwig-Maximilians-Universität München Medizinische Fakultät Zentrum für Neuropathologie und Prionforschung Feodor-Lynen-Str. 23 81377 München

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Prof. Dr. Armin Giese 089 2180-78048 01KU1403B 314.400 EUR 01.09.2014 - 31.08.2017

Das Teilprojekt 3 gliedert sich in fünf Unterprojekte (3.1-3.5). Im Rahmen der fünf Unterprojekte werden humane post-mortem Gewebeproben unterschiedlicher Hirnregionen von gesunden Kontrollpersonen mit Proben von Patienten mit Parkinsonerkrankung verglichen. 3.1 beschäftigt sich mit Proben von gesunden Kontrollfällen, 3.2 mit Proben von Parkinsonpatienten, 3.3 ergänzt weitere Regionen von Parkinsonpatienten, um regionale Verteilungsmuster zu erkennen, 3.4 beschäftigt sich mit Parkinsonpatienten in sehr frühen Stadien um das Voranschreiten der Erkrankung beobachten zu können und in 3.5 sollen Validierungen der Ergebnisse erfolgen. Die Daten der Unterprojekte 1-5 werden korreliert, so dass epigenetische Veränderungen bei Voranschreiten der Parkinsonerkrankung zu erkennen sind. Hierbei werden DNA-Modifikationen (Methylierung, Hydroxymethylierung) und Transkriptomveränderungen untersucht. Zur Anwendung kommen (hydroxy)methylierungs-sensitive Sequenziertechniken (Next Generation Sequencing) sowie RNA-Seq.

 

Verifikation epigenomischer Hits

Justus-Liebig-Universität Gießen FB 11 - Medizin und Universitätsklinikum Institut für Humangenetik Schlangenzahl 14 35392 Gießen

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Prof. Dr. Ulrich Müller 0641 99-41600 01KU1403C 314.400 EUR 01.09.2014 - 31.03.2018

Ziel des Projektes ist die Untersuchung und Validierung epigenetischer Modifikationen die bei der Entstehung der Parkinson Krankheit eine Rolle spielen. 5` Methylierung und Hydroxymethylierung von Cytosin sind epigenetische DNA Modifikationen, die besonders wenn das modifizierte Cytosin Teil einer CpG Insel ist, die Expression verschiedener Gene beeinflussen. Ebenso kommt miRNAs eine wichtige Rolle bei der Expression von Zielgenen zu, wobei die Effekte von miRNAs durch epigenetische Modifikation ihrer eigenen Expression moduliert werden. Es soll zunächst eine umfassende Karte des DNA-Methyloms und miRNA-Profils in Alters- und Geschlechts-stratifizierten Gehirnen von  Kontrollen erfolgen. Dann werden Methylom und miRNA Profile an Gehirnen von Parkinson-Patienten untersucht und mit den Kontrollen verglichen. Die Expression von abnorm methylierten Genen wird durch quantitative PCR untersucht. Die Arbeitsplanung sieht vor zunächst ein miRNA-Profil ausgewählter Gehrinregionen von Patienten und Kontrollen zu erstellen. Methylierungsunterschiede in Gehirnen von Parkinson Patienten, die im Labor durch Sequenzierung Bi-Sulfit-konvertierter DNA erfasst wurden, werden in diesem Teilprojekt durch Pyrosequenzierung verifiziert. Anschließend wird die Expression von den Genen, bei denen Methylierungsunterschiede bestätigt wurden, durch quantitative  PCR untersucht. Außerdem wird die Expression von Genen quantitativ untersucht, die von miRNAs kontrolliert werden, deren Expression in "Parkinson-Gehirnen" verändert ist. Gene, die eine durch DNA-Methylierung oder miRNA-Regulation veränderte Expression in Parkinson Patienten aufweisen, werden weiter funktionell untersucht. Insbesondere soll die Menge und Verteilung von Proteinen mittels Western Blotting und Immunhistochemie analysiert werden.

 

Humane IPS-Zellmodelle

Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn Medizinische Fakultät und Universitätsklinikum Neurologische Klinik Sigmund-Freud-Str. 25 53127 Bonn

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Prof. Dr. Ullrich Wüllner 0228 287-5736 01KU1403D 203.095 EUR 01.09.2014 - 31.08.2017

Die Parkinson-Krankheit (PK) wird durch eine Kombination von genetischer Prädisposition und Umwelt-Faktoren ausgelöst. Ein besonders wichtiger Umweltmechanismus könnte die Modifikation der Genexpression durch epigenetische Faktoren, einschließlich der DNA-Methylierung, darstellen. Veränderungen des DNA-Methyloms und das microRNA-Profil sollen daher in Neuronen und Gliazellen, die von Patienten mit sporadischer PK und gesunden (Kontroll-) Geschwistern abgeleitet wurden, untersucht werden. Dabei sollen Zell-Modelle entwickelt werden, um funktionellen Konsequenzen spezifischer epigenomischer Veränderungen in PK zu studieren (zusammen mit TP 3 und 4). Die im Verbund in post-mortem Gehirnen von PK Patienten identifizierten Veränderungen werden hier funktionell charakterisiert. Der Arbeitsplan sieht vor, zunächst iPS -Zellen von drei diskordanten Geschwisterpaaren (mit/ohne PK) zu erzeugen. Hierzu werden nicht integrierende Sendai-Virus-basierte Vektoren, die die zur Umprogrammierung erforderlichen Faktoren OCT3/4, SOX2 , Klf4 und cMYC kodieren, verwendet (Koch et al., Nature 2011 480: 543 -6). Es folgt eine neuronale Differenzierung und Untersuchung der hiermit mutmaßlich verbundenen epigentischen Veränderungen. Die sich anschließenden Funktionsanalysen werden in Zusammenarbeit mit TP4 und 6 durchgeführt. Dabei werden auch die Wirkungen der für die Behandlung der PK eingesetzten Medikamente, insbesondere von L-Dopa, Dopamin -Agonisten und Monoaminooxidase (MAO) -B -Inhibitoren geprüft. In einem weiteren Ansatz wird die Wirkung exogenen Alpha-Synuclein Proteins auf neuronal differenzierte Stammzellen untersucht, um herauszufinden, ob die beobachteten Veränderungen in TP1 und 2 bei PK-Patienten sekundär zu Alpha-Synuclein Exposition auftreten.

 

Verbundvorhaben: OBELICS

Osteoporose (OP) hat einen starken erblichen Hintergrund, der allerdings nicht das gesamte Risiko für osteoporotische Frakturen erklären kann. Das Alter ist ein starker Risikofaktor für das Auftreten der OP. Es gibt Hinweise dafür, dass Alterung und OP in hohem Ausmaß durch epigenetische Faktoren beeinflusst werden. Epigenetische Mechanismen regulieren die Zugänglichkeit unseres Erbguts und sind daher geeignet, kurzfristige Anpassungsreaktionen an die Erfordernisse des Lebens zu steuern. Das Konsortium OBELICS untersucht die Stammzellen des Knochenmarks bei Menschen mit ausgeprägter OP auf epigenetische Veränderungen hin um neue Regulationsmechanismen für die altersassoziierte Anpassung von Gewebeerneuerung zu finden.

Epigenetik der Osteoporose

Julius-Maximilians-Universität Würzburg Medizinische Fakultät Lehrstuhl für Orthopädie am König-Ludwig-Haus Orthopädisches Zentrum für Muskuloskelettale Forschung Brettreichstr. 11 97074 Würzburg

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Prof. Dr. Franz Josef Jakob 0931 803-1580 01KU1402A 598.301 EUR 01.08.2014 - 31.07.2017

Universitätsklinikum Aachen Institut für Biomedizinische Technologien Stammzellbiologie Pauwelsstr. 20 52074 Aachen

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Prof. Dr. Dr. Wolfgang Wagner 0241 80-80759 01KU1402B 468.168 EUR 01.08.2014 - 31.07.2017

Das Ziel ist, die molekularen Ursachen aufzuklären und aus diesen Daten mögliche Behandlungsansätze abzuleiten, die eine verbesserte Geweberegeneration bewirken können. Patienten mit OP sowie altersentsprechende nicht-osteoporotische Probanden, die sich einer Hüftoperation unterziehen, werden durch einen Osteologen klinisch charakterisiert. Es werden Mesenchymale (MSC) und Hämatopoetische (HSC) Stammzellen isoliert, expandiert und hinsichtlich ihres Differenzierungspotentials und ihrer zellulären Seneszenz analysiert und den Kooperationspartnern für epigenomische Analysen zur Verfügung gestellt. Es wird eine Kandidatenliste erstellt, deren funktionelle Relevanz in Knockdown- und Überexpressionsexperimenten in vitro getestet wird. Existierende Knockout Maus-Modelle werden genutzt, um Einflüsse durch den Verlust des Zielgens auf die Suszeptibilität für einen erhöhten Knochenumbau zu untersuchen. Knochenmasse und Mikroarchitektur werden histomorphometrisch analysiert. Die in humanen MSC und HSC identifizierten Schlüsselstellen und Pathways werden in den Tiermodellen auf epigenetischer und transkriptioneller Ebene analysiert, was eine funktionelle Validierung von Kandidatengenen der Knochenhomöostase und des osteoporotischen Phänotyps ermöglicht.

 

Verbundvorhaben: iBONE

Das Hauptziel des iBONE-Konsortiums besteht darin, therapeutisch relevante epigenetische Mechanismen aufzudecken, die den alterungsbedingten Knochenverlust steuern, um daraus neue molekular-basierte Behandlungen zu entwickeln. Millionen Menschen sind von alterungsbedingtem Knochenverlust betroffen. Die damit einhergehenden Frakturen sind häufig mit einer erheblichen Morbidität und Mortalität verbunden und stellen dadurch eine enorme medizinische und sozioökonomische Herausforderung dar.

Georg-August-Universität Göttingen Universitätsklinikum und Medizinische Fakultät Zentrum Chirurgie Klinik für Allgemein- und Viszeralchirurgie Robert-Koch-Str. 40 37075 Göttingen

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Prof. Dr. Steven Johnsen 0176 3286-1381 01KU1401A 683.363 EUR 01.08.2014 - 31.07.2017

Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf Klinik und Poliklinik für Unfall-, Hand- und Wiederherstellungschirurgie Martinistr. 52 20251 Hamburg

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Prof. Dr. Dr. Eric Hesse 040 7410-54114 01KU1401B 789.118 EUR 01.08.2014 - 31.07.2017

In diesem Vorhaben werden die epigenetischen Veränderungen sowohl in Patientenproben als auch in experimentellen Maus- und Zellkulturmodellen charakterisiert. Die Aufdeckung der molekularen Mechanismen, die diese Änderungen steuern bieten dadurch eine starke Basis für die zukünftige Identifikation und Nutzung von molekular-basierten Medikamenten gegen altersbedingten Knochenverlust. Um das Ziel des iBONE-Konsortiums erreichen zu können werden Epigenom-weite Analysen, sowohl direkt von jungen und alten Patientenproben (Aufgabe 1) als auch von Maus- (Aufgabe 2) und Zellkulturmodellsystemen (Aufgabe 3) durchgeführt. Das altersbedinge Osteoblastenepigenom wird mittels modernster Hochdurchsatz-Sequenzierungstechnologien kartiert. Darüber hinaus werden diese Informationen genutzt, um epigenetische Regulatoren, die für diese Veränderungen verantwortlich sind zu identifizieren und ihre molekularen Wirkmechanismen aufzuklären (Aufgabe 4). Dieser Ansatz bildet eine wichtige Ausgangsebene für das Verständnis der epigenetischen Grundlage des alterungsbedingten Knochenverlustes. In Zusammenarbeit mit den anderen iBONE-Partnern werden die Ergebnisse dieser Studien einen wichtigen Beitrag zum Verständnis der molekularen Mechanismen des altersbedingten Knochenverlustes leisten. 

 

Deutsch-französische Diabetesakademie

Die deutsch-französische Diabetesakademie bildet die Grundlage für krankheitsspezifische wissenschaftliche Trainingsprogramme von (post)graduierten Studenten. Diese Programme sollen die wissenschaftliche Interaktion und Nachwuchsförderung zwischen deutschen und französischen Forschungseinrichtungen intensivieren. Das Programm der Diabetesakademie umfasst zentrale Themen der Diabetesforschung, die Teil des DZD-Programmes sind und von führenden französischen und deutschen Diabetologen gemeinsam koordiniert werden.

Derzeit geförderte Vorhaben:

Epigenomik von Diabetes

Helmholtz Zentrum München Deutsches Forschungszentrum für Gesundheit und Umwelt (GmbH) Institut für Experimentelle Genetik (IEG) Ingolstädter Landstr. 1 85764 Neuherberg

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Prof. Dr. Johannes Beckers 089 3187-3513 01KX1413 289.878 EUR 01.08.2014 - 30.11.2017

In dem geplanten Projekt werden epigenetische Informationen in den Keimbahnzellen von Mäusen charakterisiert die durch eine besonders energiereiche Diät eine Typ-2-Diabetes entwickelt haben. Aus vorläufigen Daten wissen wir, dass solche Diabetes-Mäuse über Spermien und Eizellen Informationen an ihre Nachkommen weitergeben, die dazu führen, dass bei ihnen die diabetische Erkrankung noch stärker ausgeprägt ist als bei ihren Eltern. Nach dem Stand der Kenntnis kommen für die epigenetische Vererbung vor allem kodierende und nicht-kodierende Transkripte und chemische Veränderungen wie beispielsweise Methylierungen der Erbinformation in Betracht. Weiterführend werden wir uns mit der Fragestellung beschäftigen, wie die relevante epigenetische Information in die Keimzellen der Eltern gelangt und wie sich die epigenetische Information in der embryonalen Entwicklung in den verschiedenen Organen verändert. Zur Identifizierung der epigenetischen Information werden Oocyten und Spermien von Mäusen mit und ohne erworbener Diabetes isoliert. Aus den Keimzellen wird sowohl das Erbmaterial als auch das Transkriptom gewonnen. Das Methylom und Hydroxymethylom werden wir durch geeignete Methoden in einem genomweiten Ansatz vergleichend analysieren. Zur Analyse des Transkriptoms werden wir Sequenzierungsmethoden anwenden. Neben kodierender RNA werden wir auch nicht-kodierende kurze und lange Transkripte vergleichend untersuchen. Aus verschiedenen embryonalen Entwicklungsstadien werden wir relevante Organe isolieren, um dann zu untersuchen welche Auswirkung die epigenetische Information in den Keimzellen von diabetischen und nicht-diabetischen Eltern auf Transkriptom und Methylom hat. Wir haben erste Hinweise welche biologischen Prozesse bei den Eltern dazu beitragen, dass bestimmte epigenetische Informationen in die Keimzellen gelangen. Diese Prozesse werden wir funktionell untersuchen.

Abgeschlossene Vorhaben