AG Rossi

Umweltverschmutzung in einer Schale: Modellierung der durch Umweltverschmutzung verursachten Auswirkungen auf Geschmack und Nährstoffwahrnehmung anhand von Zungen- und Magenorganoiden (EpiDish)

In diesem Projekt wird untersucht, wie sich die Umweltverschmutzung auf die menschliche Gesundheit auswirkt, indem sie die sensorischen Funktionen, insbesondere die Geschmackswahrnehmung und die Wahrnehmung von Nährstoffen, beeinträchtigt. Schadstoffe aus der Luft und aus Lebensmitteln können den Geschmack und die Nährstoffaufnahme stören, was sich möglicherweise auf die Kalorienaufnahme, die Appetitregulierung und die allgemeine Gesundheit auswirkt. Um dies zu untersuchen, wird die Studie mechanistische zellbasierte Experimente, sensorische Versuche und epidemiologische Studien kombinieren, ohne sich auf Tiermodelle zu verlassen. Unter Verwendung menschlicher induzierter pluripotenter Stammzellen (iPSC) werden die Forscher Organoide der Zunge und des Magens entwickeln, um die menschlichen Sinnes- und Verdauungsfunktionen zu modellieren. Diese Organoide werden Schadstoffen wie verkehrsbedingtem Feinstaub und Schwermetallen ausgesetzt, um Veränderungen in der Geschmackswahrnehmung, der Rezeptorexpression und der Nährstoffaufnahme zu untersuchen. Die aus diesen In-vitro-Experimenten gewonnenen Erkenntnisse werden auf eine epidemiologische Studie (NAKO-Gesundheitsstudie) angewandt, um zu untersuchen, wie sich die städtische Luftverschmutzung auf die Ernährungsgewohnheiten verschiedener Altersgruppen auswirkt. Letztendlich zielt diese Forschung darauf ab, unser Verständnis für die Auswirkungen der Luftverschmutzung auf Geschmack und Nährstoffaufnahme zu verbessern, eine gesündere Ernährung zu fördern und die Gesundheit im Allgemeinen zu verbessern. Das Projekt wird von der Leibniz-Gemeinschaft gefördert (Leibniz-Wettbewerb). Kooperationspartner sind die Arbeitsgruppen Schikowski, Schins und Staerk, sowie das Leibniz-Institut für Lebensmittel-Systembiologie (LSB) in München.

Phänotypische Variabilität durch genetische Pufferung: Die Rolle von Umweltfaktoren

Genetische Faktoren spielen eine Schlüsselrolle bei der Entstehung von Krankheiten und beim Altern, wobei die mendelschen Vererbungsmuster die Extreme eines Spektrums genetischer Variation darstellen. Die Auswirkungen schädlicher genetischer Mutationen können jedoch häufig durch Prozesse wie die genetische Pufferung abgeschwächt werden, die Mechanismen wie genetische Kompensation, transkriptionelle Anpassung und phänotypische Plastizität umfasst. Obwohl man davon ausgeht, dass einige dieser Prozesse nicht genetisch bedingt sind, ist der Einfluss von Umweltfaktoren auf die genetische Pufferung und seine Rolle beim umweltinduzierten Altern nach wie vor nur unzureichend bekannt. In diesem Projekt wollen wir untersuchen, wie Umweltfaktoren wie Luftschadstoffe und Lebensmittelkontaminanten die Expression von Modifikatorgenen beeinflussen, die an der genetischen Pufferung beteiligt sind. Mit Hilfe von iPSCs und Mutanten, die Krankheiten wie Duchenne-Muskeldystrophie (DMD) und ACTB-assoziierte Syndrome modellieren, werden wir die Zellen schwach toxischen Umweltfaktoren aussetzen und deren Einfluss auf die Expression von Modifikatorgenen analysieren. Wir stellen die Hypothese auf, dass diese Faktoren, möglicherweise durch oxidativen Stress, die Genexpressionsmuster verändern und die genetische Pufferung modulieren werden. Wir werden diese Veränderungen auf epigenetischer und transkriptomischer Ebene untersuchen und nach kleinen Molekülen suchen, die umweltabhängige Modifikatoren beeinflussen könnten. Diese von der DFG geförderte Arbeit, die in Zusammenarbeit mit der AG Haarmann-Stemmann durchgeführt wird, soll wichtige Erkenntnisse darüber liefern, wie Umwelteinflüsse die genetischen Puffermechanismen beeinflussen.

Kleine Moleküle, die Prime Editing in therapeutischen Anwendungen verbessern

Genome Engineering, eine transformative biomedizinische Technologie, hat bei der Behandlung von Krankheiten an Popularität gewonnen. Während die derzeitigen Techniken eine unkomplizierte Genommanipulation ermöglichen, ist das Erzielen präziser Mutationen, insbesondere bei translationalen Anwendungen in vivo, sowohl hinsichtlich der Effizienz als auch der Sicherheit eine Herausforderung. Herkömmliche Methoden, die DNA-Doppelstrangbrüche (DSBs) induzieren, führen häufig zu unerwünschten Ergebnissen. CRISPR/Cas-vermitteltes Genome Editing, insbesondere Base Editing (BE) und Prime Editing (PE), bieten Alternativen. BE ist mit Problemen wie unbeabsichtigter Desaminierung und zufälligen Mutationen konfrontiert. PE, eine neuere Technik, schreibt genetische Informationen ohne DSBs, aber ihre Effizienz muss verbessert werden. Das Labor konzentriert sich auf die Identifizierung kleiner Moleküle, die die PE-Effizienz verbessern, und auf die Identifizierung von Kandidaten für die weitere Bewertung in klinisch relevanten Modellen, um Gentherapie-Tools zur Korrektur schädlicher Mutationen bei Patienten zu entwickeln. Das Projekt wird von AFM Téléthon unterstützt.

Qualitätskontrolle von hiPSCs

Dieses Projekt zielt darauf ab, die Qualitätskontrolle menschlicher induzierter pluripotenter Stammzellen (iPSC) zu verbessern. Es baut auf früheren Arbeiten auf, in denen neue Marker für die Bewertung der Pluripotenz und des Differenzierungspotenzials von iPSC mithilfe der Long-Read-Nanopore-Sequenzierung ermittelt wurden. In der vorangegangenen Studie wurde „hiPSCore“ entwickelt, ein auf maschinellem Lernen basierendes Bewertungssystem, das pluripotente und differenzierte Zellzustände genau klassifiziert, den Bewertungsprozess rationalisiert und die Subjektivität reduziert. Das aktuelle Projekt verfolgt diesen Ansatz weiter und zielt darauf ab, die Qualitätskontrollstandards für iPSCs weiter zu verbessern, indem diese neuartigen Marker verfeinert und validiert werden, um letztlich die Zuverlässigkeit und den klinischen Nutzen von iPSCs für Forschung und therapeutische Anwendungen zu erhöhen. Das Projekt wird vom Land NRW unterstützt.

Verständnis der Risiken bei der Genbearbeitung: Analyse von Prime-Editing-Ergebnissen und großen Deletionen im Vergleich zu CRISPR/Cas9 in iPSCs

Das Erzeugen von präzisen und sichereren genetischen Modifikationen mit Genome-Engineering-Technologien bringt gewisse Herausforderungen mit sich und ist von entscheidender Bedeutung für die translationale Medizin. Während CRISPR/Cas9 zu unbeabsichtigten Off-Target-Effekten führen kann, ist Prime Editing (PE) präziser. Für beide Ansätze ist das Auftreten und das Ausmaß großer Deletionen an On-Target-Stellen weniger gut verstanden. In diesem Projekt zielen wir darauf ab, die On-Target-Effekte von CRISPR/Cas9 und Prime Editing systematisch in therapeutisch relevanten induzierten pluripotenten Stammzellen (iPSCs) zu untersuchen. Durch die Konstruktion und Transfektion von Guide-RNAs und Prime-Editing-Guide-RNAs (pegRNAs) in männliche und weibliche iPSC-Linien werden wir gezielte Modifikationen erzeugen. Fluoreszenzaktivierte Zellsortierung (FACS) wird verwendet, um erfolgreich editierte Zellen zu isolieren. Eine vorläufige Analyse der Editierungseffizienz und der Integrität der Zielsequenzen wird mittels digitaler PCR (dPCR) durchgeführt. Umfassende Sequenzierungen mit sowohl kurzen Illumina-Lesereihen (für kleine Indels) als auch long-read Nanopore-Plattformen (für große Deletionen bis zu 10 kb) werden durchgeführt, um die On-Target-Editierungsergebnisse, einschließlich großer Deletionen und struktureller Varianten, gründlich zu untersuchen. Zusätzlich werden wir unsere bereits entwickelte Software, CRISPRnano, weiterentwickeln, um ihre Fähigkeit zur Analyse von Prime-Editing-Ergebnissen zu verbessern, mit besonderem Fokus auf eine bessere Ausrichtung, Visualisierung und Erkennung unerwünschter Indels. Diese Forschung wird entscheidende Einblicke in die On-Target-Sicherheitsprofile von CRISPR/Cas9 und Prime Editing liefern und zur Entwicklung präziserer und verlässlicherer Genome-Editing-Werkzeuge für die Forschung und therapeutische Anwendungen beitragen. Das Projekt wird von der DFG gefördert.

Untersuchung von Epilepsie bei mitochondrialen Erkrankungen anhand von Hirnorganoidmodellen

Mitochondriale Erkrankungen sind eine Gruppe genetischer Störungen, die die mitochondriale Atmung beeinträchtigen. Das Leigh-Syndrom (LS) und die mit der Polymerase Gamma (POLG) zusammenhängende Pathologie gehören zu den häufigsten mitochondrialen Erkrankungen, bei denen Epilepsie auftreten kann. Der Zusammenhang zwischen mitochondrialem Versagen und der Entstehung von Anfällen ist noch unklar und vermutlich von der Calciumhomöostase, reaktiven Sauerstoffspezies oder dem Plasmamembranpotenzial abhängig. Um die Mechanismen, die Anfällen bei mitochondrialen Erkrankungen zugrunde liegen, zu beleuchten und möglicherweise modulierende Strategien aufzudecken, wollen wir einen neuen Ansatz zur Bewertung der epileptischen Komponenten mitochondrialer Erkrankungen entwickeln. In diesem gemeinsamen Projekt werden wir synergistische Fachkenntnisse in den Bereichen Stammzelltechnik, Gehirnorganoidmodellierung und zelluläre Elektrophysiologie kombinieren. Wir werden von Patienten stammende und genetisch induzierte pluripotente Stammzellen (iPSCs) für LS und POLG-bedingte Pathologie verwenden, um menschliche kortikale Gehirnorganoide zu erzeugen, um epileptische Aspekte unter Verwendung von Multi-Elektroden-Array-Technologie mit hoher Dichte und Einzelzell-Elektrophysiologie zu untersuchen. Diese Modellplattform könnte Einblicke in die zugrunde liegenden Mechanismen und mögliche modulatorische Wege für Anfälle bei Patienten mit mitochondrialen Erkrankungen oder anderen Formen nicht-mitochondrialer Epilepsie liefern. Das Projekt wird gemeinsam mit Alessandro Prigione und Nico Melzer von der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf durchgeführt und von der Forschungskommission der Medizinischen Fakultät der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf gefördert (FoKo).