MDCK-MRP2 - Dkfz

Forschungsschwerpunkt A
Zell- und Tumorbiologie
Sytembiologie der Signaltransduktion (A150)
Leiterin: PD Dr. U. Klingmüller
Wissenschaftliche Mitarbeiter
Dr. Achim Heinrich (7/03-)
Dr. Sergey Yazynin (7/03-1/04) (GIF)
Doktoranden
Marcel Schilling (7/03-)
Verena Becker (7/03-)
Technische Assistentin
Ute Baumann (7/03-)
Diplomanden
Anna Geist (7/03-)
Sebastian Bohl (8/03-)
Der dynamische Prozess der Neubildung hoch spezialisierter
reifer Zellen aus multipotenten Stammzellen wird
durch eine Vielzahl von Wachstumsfaktoren kontrolliert,
die durch Bindung an Rezeptoren komplexe Signalübertragungsnetzwerke
aktivieren. Eine Fehlregulation dieser
Vorgänge führt zu Krankheiten wie z. B. Krebs. Wir untersuchen
im hämatopoetischen System am Beispiel der
erythroiden Linie Kontrollmechanismen der Signaltransduktion,
die Proliferation und terminale Differenzierung
erythroider Vorläuferzellen steuern. Die Komponenten
verschiedener Signaltransduktionskaskaden sind biochemisch
gut charakterisiert, aber über die zeitliche Kontrolle
und räumliche Organisation der Informationsprozessierung
ist noch wenig bekannt. Mit Hilfe eines systembiologischen
Ansatzes, der quantitative und zeitaufgelöste
Datenerhebung mit dynamischer Modellierung verbindet,
konnten wir zeigen, dass Signalkaskaden ein zyklisches
Verhalten zeigen können. Dieses Verhalten ermöglicht
ein kontinuierliches Abfragen der Aktivierung von Zelloberflächen-Rezeptoren
und die proportionale Umsetzung
der Aktivierung in Zielgenaktivierung. Durch die Beobachtung
von Signalleitungskomponenten in lebenden
Zellen sind wir dabei, Prinzipen der räumlichen Organisation
von Signalkaskaden zu entschlüsseln. Um die biologische
Relevanz der in Zellinien gewonnen Erkenntnisse
zu überprüfen, werden Untersuchungen in Primärzellen
und im Mausmodell durchgeführt. Ziel dieser Studien ist
es, das dynamische Verhalten von Signalleitungsnetzwerken
vorherzusagen, um Ansatzpunkte für eine effiziente
Intervention zu identifizieren und die gezielte Entwicklung
neuer Therapiestrategien für die Krebsbekämpfung
zu unterstützen.
A150
Systembiologie der Signaltransduktion
Dynamische Modellierung von
Signaltransduktionswegen
M. Schilling, S. Bohl, U. Baumann, U. Klingmüller
In Zusammenarbeit mit J. Timmer, Universität Freiburg
Im Gegensatz zu bisher rein qualitativen Beschreibungen
von Signalübertragungswegen sind quantitative Modelle
notwendig, um zuverlässige Vorhersagen über das Verhalten
eines Systems zu machen (Abbildung 1). Wir haben
ein vier-dimensionales differenzielles Gleichungssystem aufgestellt,
das den STAT(Signal Transducer and Activator of
Transcription)5 Aktivierung-Inaktivierungszyklus quantitativ
beschreibt [4, 6, 8]. Dabei beruhen die dynamischen Parameter
der Gleichungen auf simultan erhobenen experimentellen
Daten. Durch dynamische Modellierung konnten wir
zeigen, dass STAT5 multiple Aktivierungszyklen durchläuft
und für diesen Vorgang der effiziente Kernexport eine
wesentliche Rolle spielt, eine Beobachtung, die wir experimentell
bestätigen konnten. Das zyklische Verhalten der
STAT5-Signaltransduktionskaskade erlaubt eine kontinuierliche
Kopplung der Rezeptoraktivierung mit der Transkription
von Zielgenen und daher einen raschen, fein abgestimmten
Informationsfluss von der Zelloberfläche in den
Zellkern. Diese Untersuchungen zeigen, dass durch mathematische
Modellierung völlig neue und unerwartete
Aspekte der Signaltransduktion identifiziert werden können.
Auf der Basis dieser Arbeit sind wir dabei weitere
Signalübertragungskaskaden mathematisch zu beschreiben.
In vivo Bedeutung von Signaltranduktionsmolekülen
A. Heinrich, A. Geist, U. Klingmüller
In Zusammenarbeit mit B.G. Neel (Harvard Medical School, USA),
L. Hennighausen (NDDK/NIH, USA) und R. Kemler (Max-Planck-
Institut für Immunbiologie, Freiburg)
Für die biochemische Charakterisierung von Signalübertragungswegen
sind Zelllinien ein sehr nützliches Modellsystem.
Da aber in Zelllinien zentrale Mechanismen der Wachstumskontrolle
und Differenzierung inaktiviert sind, ist es äußerst
wichtig, die biologische Bedeutung von Signalübertragungswegen
in primären Zellen zu überprüfen.
Durch die Expression von dominant negativ oder konstitutiv
aktiven Varianten von Signalübertragungsmolekülen in
erythroiden Vorläuferzellen untersuchen wir die Rolle von
Signalübertragungsmolekülen für die Reifung von Erythrozyten.
Dazu haben wir deutlich verbesserte retrovirale Vektoren
etabliert, die es uns ermöglichen, sehr rasch und
effizient Transgene in Primärzellen zu exprimieren [1].
Um die Bedeutung von Signaltransduktionsvorgängen im
Kontext eines Organismus zu analysieren, haben wir erfolgreich
eine Maus hergestellt, die die Cre-Rekombinase spezifisch
in der erythroiden Linie exprimiert [10]. Durch Kreuzen
dieser Mäuse mit Mäusen, die LoxP flankierte Gen-Loci
für Signaltransduktionsmoleküle tragen, werden Signaltransduktionsmoleküle
spezifisch in erythroiden Vorläuferzellen
eliminiert. Dies ermöglicht es die Rolle von Signaltransduktionsmolekülen
für die Erythropoese zu entschlüsseln.
DKFZ 2004: Wissenschaftlicher Ergebnisbericht 2002 - 2003
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