Die Beeinflussung der GADD45-MAP3K4-P38 MAPK Signalachse in der Kontrolle der hämatopoetischen Stammzell-Selbsterneuerung und Differenzierung für die therapeutische Expansion von Stammzellen.

• Antragsteller: Professor Dr. Michael Rieger
• Fachliche Zuordnung: Hämatologie, Onkologie ; Zellbiologie
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 317011487

Hämatopoetische Stammzellen (HSCs) werden seit Jahrzehnten erfolgreich bei Stammzelltransplantationen für die Therapie von Leukämien eingesetzt, und sind daher ein Paradebeispiel für angewandte regenerative Medizin. Doch trotz detailliertem Wissen über die Identität und Biologie von HSCs muss die komplexe molekulare Kontrolle von Selbsterneuerung und Differenzierung genauer verstanden werden. Dies wird dazu beitragen, dass Protokolle für das große Ziel der Stammzellvermehrung in Kultur entwickelt werden. Wir konnten in vorangegangenen Studien einen neuen Signalweg identifizieren, der die Umschaltung des Selbsterneuerungsprogramms in ein Differenzierungsprogramm in HSCs steuert. Mitglieder der Growth Arrest and DNA-Damage Inducible 45 (GADD45) Genfamilie vermitteln die über Zytokine oder DNA-Schäden induzierte Differenzierung durch die spezifische Aktivierung des P38 MAP Kinaseweges. Wenn einmal die Expression von GADD45 Alpha oder Gamma initiiert ist, dann schaltet phosphoryliertes P38 HSCs von Selbsterneuerung auf Differenzierung um und beschleunigt die Ausreifung von Blutzellen. Diese Ergebnisse deuten auf eine verbesserte Stammzellexpansion in Kultur unter dem Einfluss von P38 Inhibitoren hin. Deshalb planen wir in dem Projektantrag a) die Selbsterneuerung von murinen und humanen HSCs durch P38-Inhibition und optimierten Kulturbedingungen für Expansionskulturen quantitativ zu bestimmen, b) das Genexpressionsnetzwerk molekular aufzuklären, das durch den Signalweg GADD45-MAP3K4-P38 ausgelöst wird und zur Differenzierungsinduktion führt, und c) die bislang ungelöste Frage zu beantworten, ob Zelldifferenzierung die Replikation von DNA während der S-Phase des Zellzyklus benötigt. Wir haben Technologien entwickelt, die es uns ermöglichen, molekulare Veränderungen in Verbindung mit Veränderungen des Stammzellverhaltens auf Einzelzellebene zu untersuchen. Induzierbare lentivirale GADD45-Expressionssysteme erlauben die zeitlich kontrollierte Einleitung der Differenzierung für Kinetikstudien von molekularen und funktionellen Ereignissen. Die Fitness und Anzahl von FACS-sortierten murinen und humanen HSCs nach ex vivo Kultur werden durch serielle Transplantation in Empfängermäuse quantifiziert. Einzigartige Videomikroskopie mit Einzelzell-Tracking deckt das Verhalten von HSCs und deren Nachkommen während des gesamten Differenzierungsprozesses in Echtzeit auf. Das molekulare Netzwerk, das die Differenzierung in HSCs induziert, wird in hoher zeitlicher Auflösung mittels (Einzelzell) RNA Sequenzierung, mittels eines quantitativen Proteom-Ansatzes, und mittels eines funktionellen Genomscreens entschlüsselt. Weiterhin möchten wir den Zusammenhang von Zellzyklus und Differenzierung in HSCs verstehen, was nur durch das kontinuierliche Tracking von HSCs möglich wird. Die Beantwortung dieser wichtigen Fragen wird Wege aufzeigen, die eine gezielte Manipulation der Selbsterneuerung für eine gesteigerte Fitness und Anzahl von HSCs in Kultur ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen