Ehemalige Forschungsgruppen

Unser Labor untersucht die Dynamik der Genexpression während der zellulären Differenzierung und die Entscheidungen, die Zelle während dieses Prozesses treffen muss. Mit Hilfe stochastischer Verfahren untersuchen wir, wie Zellen Signale aus ihrer Mikroumgebung integrieren, um diese Entscheidungen zu treffen, sowohl unter normalen Bedingungen als auch als Reaktion auf Krankheiten oder Gewebeschäden. Dieser Ansatz beinhaltet die Untersuchung der dynamischen Differenzierung von Zellen in Systemen wie der hämatopoetischen Nische und Leberepithelzellen. Zu diesem Zweck verwenden wir Einzelzell-Experimentaltechniken wie Einzelzell-RNA-Sequenzierung und ATAC-Sequenzierung in Kombination mit computergestütztem maschinellem Lernen und mathematischer Modellierung. Diese Techniken ermöglichen es uns, einzelne Zellen zu profilieren, Zellzustände und Stammbäume zu identifizieren, die räumliche Gewebearchitektur zu rekonstruieren und molekulare Interaktionen zu verstehen. Unser Ziel ist es, die molekularen Mechanismen der Zelldifferenzierung aufzudecken und neue therapeutische Ansätze zu entwickeln. Die Forschung konzentriert sich auf Bereiche wie Gewebeentwicklung, Organumsatz und Reaktion auf Störungen, um die Kontrollmechanismen der zellulären Schicksalsentscheidungen aufzuklären.

Die Bildung von Blutzellen wird als Hämatopoese bezeichnet. Nur ausgesprochen wenige hämatopoetische Stammzellen (HSZ) sind dafür verantwortlich, die Balance zwischen unterschiedlichen Blutzell-Typen aufrechtzuhalten und das System im Falle von Stress, etwa durch Infektionen, Trauma oder Bestrahlung, wieder aufzufüllen. Extrazelluläre Signalwege liefern Informationen an die HSZ, welche durch spezifische Signal-Transkriptionsfaktoren in zelluläre Vorgänge übersetzt werden. Uns interessieren insbesondere Entzündungsvorgänge, bei denen erst kürzlich gezeigt wurde, dass sie an der Stilllegung und Regeneration von HSZ beteiligt sind. Bislang war man davon ausgegangen, dass HSZ indirekt auf Entzündungssignale reagieren, lediglich, um hämatopoetische Zellen wieder aufzufüllen. Erst kürzlich wurde nachgewiesen, dass HSZ direkt Entzündungssignale wahrnehmen und darauf reagieren können.

Die Forschung des Labors konzentriert sich auf das Verständnis derjenigen zellulären und molekularen Mechanismen, die Immunantworten steuern. Dabei liegt ein besonderer Schwerpunkt auf dem Stoffwechsel und der Frage, wie dieser Prozess Immunreaktionen reguliert. Gegenwärtig wird die Rolle des Stoffwechsels bei der Regulierung der Entwicklung von T-Gedächtniszellen sowie dessen Bedeutung für die Funktionen von aktivierten T-Zellen erfroscht. Das Labor setzt dabei auf eine Vielzahl von Ansätzen, um die Schlüsselfragen des Immunzellmetabolismus in vitro und in vivo zu adressieren und dabei auch zu ergründen, welche Auswirkungen dies auf eine schützende Immunität gegen Infektionen und Krebs hat. Die Arbeit soll es ermöglichen, mithilfe der Stoffwechselregulation neue Wege zur Beeinflussung der T-Zell-Langlebigkeit sowie der T-Zell-Funktionen zu entdecken; mit dem langfristigen Ziel Krankheiten beim Menschen lindern.

Zellen reagieren auf umweltbedingten Stress und Toxine mit einer adaptiven Stressantwort, um die Belastungsbedingungen zu überleben. Die Transkriptionskontrolle ist eine wichtige regulatorische Ebene, die die Stärke, die Dauer und die Persistenz der zellulären Stressantwort bestimmt. Transkriptionsfaktoren, Chromatinmodifikationen und nicht-kodierende RNA beeinflussen die transkriptionelle Antwort auf Umweltstress. Das Labor von Ritwick Sawarkar erforscht die molekularen Mechanismen, durch Chromatin die Kontrolle über die Stressantwort ausübt. Folgende Fragen sind dabei zentral: (i) Welche zellulären Signalwege nehmen Umweltstress/Toxine wahr und signalisieren sie dem Genom? (ii) Wie interpretiert das Chromatin die Informationen über die zelluläre Gesundheit und die toxische Belastung? (iii) Wie passt sic hdie transkriptionelle Antwort zelluläre Phänotypen an, um den Stress zu überleben? Dabei werden Ansätze wie Genomik, Einzelzell-Transkriptomik, Proteomik, Chromatin-Biochemie sowie genomweites Screening genutzt, um neue Komponenten von Stress-Reaktionswegen zu identifizieren. Versuche in Säugetierzellen werden durch in vitro Rekonstitutionsexperimente und genetische Mausmodelle weiter validiert. Das Labor will neue Erkenntnisse und ein mechanistisches Verständnis der transkriptionellen Antwort auf Stress und Toxine gewinnen.

Das Labor legt Schwerpunkte auf zwei sich überschneidende Forschungsbereiche: Zum einen erforscht es die Rolle des zellulären Stoffwechsels für die Funktion und das Zellschicksal von Immunzellen während Infektionen und Krebs- Dabei nimmt es insbesondere die Mechanismen in den Blick, die an der metabolischen Reprogrammierung von Immunzellen beteiligt sind, und fragt nach den Gründen, warum verschiedene Arten des Stoffwechsels essentiell sind, um verschiedene Aktivierungszustände in diesen Zellen zu unterstützen. Mit diesem Wissen will es auch therpeutische Optionen ergründen, die Stoffwechselwege hemmen oder fördern, um Immunantworten zu beeinflussen. Weiterhin erforscht das Labor Typ-2-Immunantworten, die durch Wurmparasiten induziert werden können: Wie wird die Typ-2-Immunität initiiert und aufrechterhalten? Welche Mechanismen rufen die nachgelagerte nützliche bzw. schädlichen Folgen dieser Arten von Immunantworten hervor (so z.b. Immunität gegen Helminthenparasiten bzw. Gewebefibrose und Krebswachstum). Darüber hinaus befasst sich das Labor auch mit der Biologie von Makrophagen bei Typ-2-Immunitätsantworten und erforscht hier inbesondere immunometabolische Fragestellungen.

Epigenetische Kontrolle komplexer Erkrankungen: Aktuelle Schätzungen gehen davon aus, dass bis zum Jahr 2030 zwischen 300 Millionen und 1 Milliarde Menschen von Diabetes und starkem Übergewicht gehen betroffen sein werden. Als wesentliche Risikofaktoren für Herzkrankheiten, Krebs und Schlaganfall stellen Diabetes und Übergewicht daher zwei der weltweit wichtigsten wirtschaftlichen und gesundheitlichen Herausforderungen dar. In bisherigen Studien wurden überzeugende genetische Netzwerke erstellt, die unser derzeitiges Verständnis dieser komplexen Erkrankungen verbessern. Weitgehend unverstanden bleibt hingegen, welchen Beitrag eine Reihe wichtiger regulatorischer Ebenen, insbesondere die epigenetische Regulation, leistet. Unser Labor ist interessiert an der Beschreibung epigenetischer, regulatorischer Systeme, die zur Störanfälligkeit und zur Entwicklung komplexer Krankheiten beitragen. Die Beispiele sind vielfältig und umfassen unter anderem posttranslationale Modifikationen von Histonen, von nicht-kodierender RNA und von Modifikatoren der Chromatin-Stabilität, wie etwa die Polycomb-Trithorax-Gruppen. Zum heutigen Zeitpunkt ist klar, dass diese epigenetischen Wirkweisen für ganze funktionelle Gen-Gruppen eine zentrale Rolle in der Bestimmung von Sollwerten spielen; die grundlegend offene Frage, an der wir interessiert sind, ist, wie diese epigenetischen Signale die Anfälligkeit und die Entwicklung menschlicher Krankheiten beeinflussen können.

Das Ziel der Abteilung für Molekulare Immunologie ist es, die Organisation und Steuerung von Rezeptoren und intrazellulären Signalwegen in gesunden und erkrankten Lymphozyten besser zu verstehen. Unsere Forschung konzentriert sich größtenteils auf die Entwicklung und Funktion von B-Lymphozyten. Dafür haben wir ein neues Modell für Struktur und Aktivierung der B-Zell-Antigen-Rezeptoren (BCR) vorgeschlagen und haben neue Bestandteile der Signalweiterleitung in aktivierten B-Zellen entdeckt. Außerdem haben wir Techniken entwickelt, die eine tiefer greifende Untersuchung von Signal-Mechanismen in ruhenden und aktivierten B-Zellen erlauben. Einige unserer Erkenntnisse haben zu einem besseren Verständnis menschlicher Erkrankungen wie etwa Leukämie und Autoimmunität geführt. Darüber hinaus gehören wir zu den ersten, die Ansätze der synthetischen Biologie auf Signalstudien in Säugerzellen anwenden.

Organismen haben ein Immunsystem entwickelt, um Krankheitserreger zu bekämpfen. Gleichzeitig muss die Immunabwehr gegenüber Antigenen des eigenen Körpers oder harmlosen Substanzen Toleranz zeigen. Im Darm wird besonders offenkundig, wie groß die Notwendigkeit von gleichzeitiger Wachsamkeit und Toleranz des Immunsystems ist. Dort ist das Abwehrsystem nicht nur mit Antigenen von Krankheitserregern konfrontiert, sondern auch mit solchen von Nahrungsbestandteilen und harmlosen Kommensalen. Der Darm ist die größte Oberfläche des Körpers, die mit der Außenwelt in Kontakt kommt. Daher muss eine Immunantwort mögliche Erreger schnell und effektiv bekämpfen. Die größte Zahl der Antigene im Darm stammt jedoch aus der Nahrung und von der Kommensalen-Flora, die nicht angegriffen werden darf. Daher kombiniert das Immunsystem des Darms eine große Zahl inflammatorischer Zellen mit vielen regulatorischen Immunzellen, die schädliche Reaktionen gegen harmlose Antigene unterbinden. Unsere Gruppe konzentriert sich auf die Entstehung und den Erhalt der Immuntoleranz, insbesondere durch die Produktion von regulatorischen CD4+ Foxp3+ Zellen (Treg). Treg werden im Thymus und in der Peripherie gebildet und verhindern fehlgeleitete Immunantworten. Sie sind ein Schlüssel, um Autoimmunität und entzündliche Reaktionen gegen mikrobielle Kommensalen zu vermeiden. Wir möchten die Faktoren entschlüsseln, die die Antigen-spezifische Treg-Aktivität kontrollieren und sind insbesondere an den Wechselwirkungen zwischen Zellen des Darmepithels und des Immunsystems interessiert.

Alle vererbbaren Chromosomenzustände, die nicht die DNA-Sequenz selbst betreffen, werden als ‘epigenetisch’ bezeichnet. Das schließt die Genexpression ein und für die meisten Eukaryoten auch die Zentromer- und Telomer-Identität. Die epigenetische Weitergabe dieser Zustände über viele Zell-Generationen ist von fundamentaler Bedeutung für eine korrekt funktionierende Gen-Regulation. Wird diese Information gestört, kann es zur Instabilität des Genoms und zu zellulären Fehlfunktionen führen. Zentromere befinden sich an der zentralen Einschnürung der Chromosomen, an der die beiden Chromosomen-Arme während der Mitose bis zur tatsächlichen Zellteilung verbunden bleiben. Zentromere sind für eine gleichmäßige Aufteilung der Chromosomen in die Tochterzellen unverzichtbar. Unter Nutzung der Fruchtfliege Drosophila melanogaster als Modellorganismus ist mein Labor insbesondere an der epigenetischen Regulation der Zentromer-Identität interessiert. Einen besonderen Schwerpunkt legen wir dabei auf die Bildung von Neozentromeren in Fliegen und in menschlichen Zellkulturen. Desweiteren sind wir an der Anordnung der Zentromere im Zellkern interessiert.

Unsere Forschungsgruppe untersucht die molekularen Mechanismen, die die Genexpression regulieren. Dafür nutzen sie die Transkriptionsfaktoren der NF-kB-Familie als Modell-System. Ein zentraler Punkt ist es zu verstehen, wie die Aktivitäten der Transkriptionsfaktoren Promotor- und Zelltyp-spezifisch kontrolliert werden. Obwohl der NF-kb Signalweg in vielen unterschiedlichen Zelltypen aktiv ist, weisen die meisten Zielgene von NF-kb ein streng kontrolliertes Expressionsmuster auf. Ihre Stimulus-abhängige Aktivierung ist nämlich auf eine spezifische biologische Situation beschränkt. Um die zugrundeliegenden molekularen Mechanismen zu entschlüsseln, untersuchen wir die Chromatinstruktur an Zielpromotoren und regulatorischen Elemente sowie Ko-faktoren, die die Bindung und Aktivität von NF-kb in spezifischen Zelltypen steuern können.

Ziel unserer Forschungsgruppe ist es, ein umfassendes Verständnis der Signalwege zu erhalten, die Proliferation und Differenzierung von B-Zellen regulieren. B-Zellen kommt eine Schlüsselrolle in der erworbenen Immunantwort zu und sie erlauben es dem Körper, Eindringlinge hocheffizient und nachhaltig zu bekämpfen. Sie binden pathogene Substanzen an den B-Zell-Antigen-Rezeptor (BCR). Signale vom BCR oder seinem Vorläufer (Prä-BCR) führen zu Veränderungen in der Genexpression und bestimmen das Schicksal der B-Zelle hin zu Plasmazellen oder zu Gedächtnis-B-Zellen. Fehlfunktionen in der Signaltransduktion der B-Zellen führen zu Immundefizienz, Autoimmunität oder Leukämie. Unter Verwendung eines multidisziplinären Ansatzes möchten wir ein molekulares und quantitatives Verständnis der Signalnetzwerke erhalten, die in B-Zellen wirken.

Ziel unserer Forschungsgruppe ist es, die Biologie funktioneller RNAs im hämatopoetischen Immunsystem zu verstehen. Wir konzentrieren uns auf die Rolle der mikroRNAs im hämatopoetischen Immunsystem bei Säugern. MikroRNAs bilden eine Klasse nicht-kodierender RNAs, die mRNAs komplementär binden und deren Expression regulieren. Sie sind in Tieren, Pflanzen und Viren zu finden, wobei ihre Sequenzen selbst zwischen entfernt verwandten Arten konserviert sind. Eine Reihe von Arbeiten hat gezeigt, dass mikroRNAs in einem breiten Feld physiologischer Vorgänge, wie etwa Entwicklung, Differenzierung, Proliferation, Morphogenese, Apoptose und Metabolismus, beteiligt sind. Die Untersuchung der Biologie von mikroRNAs im Immunsystem könnte direkt zum Verständnis der molekularen Mechanismen der Immunsystem-Integrität beitragen. Darüber hinaus dürfte das Wissen über mikroRNAs in der Immunologie Wege eröffnen, um die molekulare Pathogenese von Infektions- und Immunkrankheiten zu beleuchten.

Klassischerweise wurde die Aufgabe des Immunsystems in der Abwehr pathogener Mikroorganismen gesehen. Nun wird vermutet, dass das Immunsystem in einem konstanten Dialog mit der Umwelt steht, also mit der mikrobiellen Welt und seinen Produkten an der Grenzschicht zwischen – verteidigendem – Organismus und Außenwelt. Dieser Dialog ist notwendig, um ein Ökosystem aufrechtzuhalten, das das Überleben gutartiger und das Entfernen bösartiger Mikrooganismen erlaubt. Der Unterschied zwischen ‚nützlichen’ und ‚schädlichen’ ist höchstwahrscheinlich nicht absolut, sondern eher graduell. Daher sind die Erkennungsstrategien des Wirts nicht nur auf die Pathogene zugeschnitten. Obwohl das Immunsystem sehr wahrscheinlich an der Demarkationslinie zwischen Innen und Außen entstand, sind Immunprozesse an dieser Linie noch immer ein schlecht untersuchter Bereich des Immunsystems. Für das Verständnis des Immunsystems dürfte es dagegen einer der wichtigsten sein.

Eines unserer großen Ziele in der postgenomischen Biologie ist es, die molekularen Grundlagen und die physiologische Rolle kovalenter Proteinmodifikationen zu verstehen. Wir verwenden Histone und den ‚Histon-Code’ als Modell, um mehrfach modifizierte Proteine zu untersuchen. Unser Ziel ist es, neue Modifikationen zu identifizieren, zu entschlüsseln, wie diese Veränderungen epigenetisch vererbt werden und herauszufinden, wie sie Genexpression und Chromatin-Struktur regulieren können. Die am besten untersuchten Beispiele mehrfach modifizierter Proteine sind derzeit Histone. Die Komplexität und Diversität der Histon- (und anderer Chromatin-assoziierter) Veränderungen tragen wesentlich zur Fähigkeit des Genoms bei, Informationen zu speichern und zu verarbeiten. Wir fangen gerade erst an, die vielen Einflüsse der epigenetischen Informationen für Biologie und Krankheiten zu verstehen. Während die Diskussion noch anhält, ob Histon-Modifikationen einen echten Histon-Code bilden, gilt es jetzt als gesichert, dass Histon-Modifikationen und an spezifische Modifikationen bindende Protein-Komplexe an der Regulation der meisten – wenn nicht aller – Gene in eukaryotischen Zellen beteiligt sind. Daher reicht die Bedeutung der Untersuchung der Chromatin-Modifikationen weit über das Feld der Chromatin-Forschung. Denn Änderungen in den Modifizerungsmustern dürften all biologischen Prozesse betreffen.

Transkriptionelle Regulation der Blutzell-Entwicklung. Die Entscheidung zur Gentranskription ist ein entscheidender Kontrollpunk zur Regulation seiner Expression während der Entwicklung und als Antwort auf physiologische und Umwelt-Einflüsse. Ein Verständnis der Mechanismen der Genexpression haben wesentliche Folgen für das Verständnis von Entwicklung, zellulärer Transformation und vielen anderen zellulären Prozessen. Der Schwerpunkt meines Labors liegt im Studium der transkriptionellen Regulation der Blutzell-Entwicklung (Hämatopoese) in der Maus. Insbesondere wollen wir weitere Einblicke in die physiologische Bedeutung und Funktion von Ko-Aktivatoren und Ko-Repressoren erlangen.

Das grundlegende Interesse unseres Labors ist es, die Mechanismen zu beleuchten, die der biologischen Aktivität des bakteriellen Endotoxins (LPS) und anderer bakterieller Komponenten zugrunde liegt. Wir möchten die Rolle dieser Komponenten in der mikrobiellen Erkennung durch das angeborene Immunsystem untersuchen und die Bedingungen, unter denen die Aktivität solcher Komponenten verändert sein könnte. Insbesondere interessieren wir uns für die Infektions-induzierte LPS-Hypersensibilität und seine Rolle in der angeborenen Immunantwort und der Verteidigung gegen eindringende Pathogene. Sensibilität für LPS ist durch einen Genlokus auf Chromosom 4 bestimmt, LPS-Gen genannt. Mutationen dieses Gens führen zu fehlendem Ansprechen auf die tödlichen und anderen biologischen Effekte von LPS. Die Identifikation des LPS-Gens und seines Produkts brachte, unter Beteiligung unserer Gruppe, Ende 1998 mit dem toll-like-Rezeptor 4 (TLR4) den Durchbruch in eine neue Ära für das Feld der Endotoxin-Forschung und der mikrobiellen Produkte insgesamt. Seit der Entdeckung von TLR4, wurden zehn unterschiedliche TLRs als Signalrezeptoren für mikrobielle Komponenten identifiziert. Das erlaubte weitere Studien der Signalwege, die in die Aktivierung von Zellen des angeborenen Immunsystems involviert sind.

Unser Interesse liegt in den molekularen Mechanismen der T-Lymphozyten-Aktivierung durch Pathogene. Wir entwickeln neue biochemische Techniken für die Identifikation und Analyse von Multi-Proteinkomplexen im großen Maßstab (quantiative Proteomik, Systembiologie). Die Methoden werden verwendet, um die Proteinkomplexe zu beschreiben, die sich mit der Zeit und im Raum in der Signalkaskade des Antigen-T-Zell-Rezeptors (TCR) verändern. Wir haben die Stochiometrie des TCR bestimmt, indem wir zeigten, dass Komplexe unterschiedlicher Größe nebeneinander auf der Zellmembran bestehen. Interessanterweise spielen sie unterschiedliche Rollen in der T-Zell-Aktivierung. Wir haben eine Konformationsänderung am TCR festgestellt, durch Liganden-Bindung hervorgerufen, die – gemeinsam mit TCR-Bündelung – für die T-Zell-Aktivierung erforderlich ist. Unser neues ‚permissive geometry model’ der T-Zell-Stimulation vereint bislang unvereinbare Erkenntnisse wie kristallografische Daten der TCR-Untereinheiten, Studien zur Geometrie der Liganden (MHC-Peptide), die Anwesenheit multimerer TCRs auf der Zelloberfläche und die Rolle eigener Peptid-MHCs in der T-Zell-Aktivierung. Durch eine Blockade der Effektoren der Konformationsänderung können wir die T-Zell-Aktivierung hemmen. Das bedeutet, dass Autoimmun-Erkrankungen mit diesem Mechanimus möglicherweise behandelt werden könnten. Zudem arbeiten wir an der humanen CD3gamma-Defizienz. Wir haben einen humanisierten CD3gamma-defizienten Mausstamm entwickelt, der die gleichen Defekte wie menschliche Patienten zeigt und der jetzt verwendet wird, um die Krankheit im Detail zu untersuchen.