Core unit

Genome engineering and model development (GEMD)

Forschungsprofil

Die Core unit "Genome engineering and model development" verwendet induzierte pluripotente Stammzellen (iPSCs), iPSC-abgeleitete Organoide, Sequenziermethoden und Genom-Engineering um humane Krankheiten zu modellieren und um die molekularen Mechanismen zu untersuchen, die genetischer Kompensierung unterliegen.

Die GEMD bietet einige Services an, darunter:

  • Generierung von gentechnischen Zellen und Tiermodellen
  • Generierung von iPSCs aus somatischen Zellen und iPSC-abgeleiteten Gehirn-, Lungen- und Hautorganoiden
  • DNA-, RNA- und scRNA-Sequenzierung

Der Forschungsschwerpunkt der GEMD liegt auf dem Verständnis der genetischen Kompensation und dessen potentiellen Zusammenhängen mit der Umwelt. Zu diesem Zweck werden verschiedene Modelle verwendet, darunter iPSCs und iPSC-Hirnorganoide. Außerdem ist die Entwicklung neuer Methoden ein Schwerpunkt, um wissenschaftliche Abläufe und Datenanalysen zu erleichtern, wie beispielsweise MAGECS, Duesselpore und CRISPRnano.

Leiter GEMD:
Andrea Rossi

Phänotypische Variabilität durch genetische Pufferung: Die Rolle von Umweltfaktoren

Genetische Faktoren können die Entstehung von Krankheiten und Alternsphänotypen induzieren oder dazu beitragen. Die von Mendel beschriebenen dominanten und rezessiven genetischen Vererbungsmuster repräsentieren in diesem Kontext die Extreme eines Spektrums von Zuständen. Es ist bekannt, dass die Effekte pathogener genetischer Variationen, die zu einem ernsten klinischen Bild führen sollten, von Zellen abgepuffert werden können, wodurch der resultierende Phänotyp abgemildert wird. Diesem als genetische Pufferung bezeichneten Prozess liegen diverse Mechanismen, wie genetische Kompensation, transkriptionelle Adaptation und phänotypische Plastizität, zu Grunde. Obwohl über die Regulation der genetischen Pufferung nur wenig bekannt ist, wird davon ausgegangen, dass die beteiligten Faktoren zum Teil nicht-genetischer Natur sind. Wir postulieren, dass die genetische Pufferung durch wechselnde Umweltbedingungen beeinflusst wird. Die genetische Pufferung wird häufig durch Expression von Modifikatorgenen erreicht. Ein Beispiel ist die Heraufregulation von Utrophin in Patienten mit Duchenne-Muskeldystrophie (DMD), einer seltenen genetischen Erkrankung verursacht durch Mutationen im Gen Dystrophin. Wir wollen erforschen, ob und wie die genetische Pufferung und die Regulation von Modifikatorgenen durch Umweltfaktoren beeinflusst wird. Hierfür haben wir humane induzierte pluripotente Stammzellen (iPSCs) sowie entsprechende Mutanten generiert und charakterisiert, die auf molekularer Ebene DMD sowie Actin-B (ACTB)-assoziierte Syndrome, monogenetische Krankheiten mit breiter phänotypischer Varianz, rekapitulieren. Die jeweiligen Modifikatorgene wurden mittels RNS-Sequenzierung und qPCR-Analyse identifiziert bzw. validiert. In dem beantragten Projekt sollen die generierten iPSCs mit sub- bzw. gering toxischen Konzentrationen expositionsrelevanter Umweltgifte (Luftschadstoffe, Lebensmittelkontaminanten) behandelt und deren Einfluss auf die Modifikatorgenexpression analysiert werden. Da die verwendeten Umweltfaktoren die Bildung reaktiver Sauerstoffspezies fördern und oxidativer Stress die Expression von Genen, inkl. Modifikatorgenen, in Nager Krankheitsmodellen verändert, erwarten wir profunde Effekte in den Expressionsmustern der Modifikatorgene auszumachen. Wir werden die kausalen Mechanismen aufklären und hierbei auf direkte Effekte sowohl auf die Modifikatorgenregulation als auch die genetische Kompensationsmaschinerie fokussieren. Konkret werden wir die Wirkung der Schadstoffexposition auf Nukleinsäureebene analysieren, indem wir epigenetische DNS- und epitranskriptomische RNS-Modifikationen sowie das globale Transkriptom untersuchen. Da die Modulation von genetischer Pufferung und Modifikatorgenen klinisch relevant ist, werden zudem Bibliotheken kleiner Moleküle, die potentiell die umweltfaktor-suszeptiblen Gene modulieren können, gescreent. Diese Studien werden fundamentale Einblicke in die Bedeutung von Umweltfaktoren für die genetischen Pufferung liefern.

Sortieren: Richtung

IUF-intern:

AG Esser
AG Fritsche
AG Haarmann-Stemmann
AG Krutmann
AG Schikowski
AG Schins
AG von Mikecz
LG Ventura
LG Weighardt

National:

Prof. Didier Stainier, Genetik der Entwicklung, Max-Planck-Institut, Bad Nauheim
Prof. Alessandro Prigione, Klinik für Allgemeine Pädiatrie, Neonatologie und Kinderkardiologie, Heinrich-Heine-Universität, Düsseldorf
Prof. Felix Distelmaier, Klinik für Allgemeine Pädiatrie, Neonatologie und Kinderkardiologie, Heinrich-Heine-Universität, Düsseldorf
Dr. Ruchika Anand, Institut für Biochemie und Molekularbiologie, Heinrich-Heine-Universität, Düsseldorf
Dr. Nico Meltzer, Klinik für Neurologie, Heinrich-Heine-Universität, Düsseldorf
Dr. Melanie Köhler, Leibniz-Institut für Lebensmittel-Systembiologie
an der Technischen Universität München (LSB), Freising
Prof. Christian Helker, Entwicklungsgenetik und Zellbiologie der Tiere, Universität Marburg
Dr. med. Tobias Ruck, Systemübergreifende translationale Neuroimmunologie, Heinrich-Heine-Universität, Düsseldorf

International:

Dr. Zacharias Kontarakis, Genome Engineering and Measurement Lab (GEML), ETH Zurich
Prof. Antonio Frigeri, Dipartimento di Scienze mediche di base, neuroscienze e organi di senso, University of Bari
Prof. Paola Nicchia, Dept of Bioscience, Biotechnology and Biopharmaceutics, University of Bari
Dr. Pietro Spitali, DMD Genetic Therapy Group, University of Leiden

  • Generierung von gentechnischen Zellen und Tiermodellen
  • Generierung von iPSCs aus somatischen Zellen und iPSC-abgeleiteten Gehirn-, Lungen- und Hautorganoiden
  • DNA-, RNA- und scRNA-Sequenzierung

Die Hauptaufgaben der Core Unit umfassen die Weiterentwicklung bestehender und die Etablierung neuer organotypischer humaner Kulturen, den Einsatz von hochmodernen Technologien zur Veränderung des Genoms dieser Modelle sowie die Generierung von genetisch modifizierten Tiermodellen (z.B. C. elegans). Mittelfristig ist der Aufbau folgender Modellsysteme geplant: für das Forschungsfeld 1: auf primären Zellen basierende Lungenmodelle, die eine Belastung mit Schwebstaub und Nanopartikeln im Luftstrom erlauben; für das Forschungsfeld 3: Verbesserung der bestehenden Neurosphärenmodelle und Entwicklung von Hirnorganoiden; für die Forschungsfelder 2 und 4: langzeitkultivierbare (bis zu 6 Monate), humane, aus Fibroblasten und Keratinozyten bestehende dreidimensionale Hautmodelle.

Team GEMD

Wissenschaftler

Postdocs

Technische Assistenz

Praktikantin

OBEN