Nicht-invasive Bildgebung von zelltyp-spezifischer Genaktivierung mit Hilfe von HSV-tk als Positronen-Emissions-Tomographie Reportergen in Kombination mit dem Nukleobasentransporter SLC43A3

• Antragsteller: Dr. Heiko Backes; Professor Dr. Bernd Neumaier
• Fachliche Zuordnung: Medizinische Physik, Biomedizinische Technik ; Molekulare Biologie und Physiologie von Nerven- und Gliazellen
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 433048408

Elementare zelluläre Prozesse werden durch die Expression von Genen gesteuert und Fehlregulation der Funktion einzelner Gene kann schwerwiegende Auswirkungen verursachen. Die Bestimmung der Genexpression in Abhängigkeit äußerer Faktoren ist daher permanenter Gegenstand der biomedizinischen Forschung. Im lebenden Organismus kann Genexpression mit Hilfe von Reportergenen bestimmt werden. Dabei wird das Reportergen in einen Bereich in die DNA eingeschleust, der vom gleichen Promoter wie das Zielgen kontrolliert wird. Die Expression des Zielgens führt dann automatisch auch zu einer Expression des Reportergens. In unserem Projekt werden wir das Herpes Simplex Virus-1 Thymidin Kinase (HSV-tk) Gen benutzen, das in der Lage ist, das Positronen-Emissions-Tomographie (PET) Tracermolekül [18F]Fluoro-3-hydroxymethylbutylguanine ([18F][FHBG) zu phosphorylieren, so dass es in der Zelle in Abhängigkeit von HSV-tk akkumuliert. Wird HSV-tk hinter das Zielgen eingeschleust, so ist das [18F]FHBG PET Signal ein Maß für die Expression des Zielgens. Damit kann Genexpression im lebenden Organismus nichtinvasiv gemessen werden. Allerdings gibt es Einschränkungen bei der bisherigen Anwendung der Methode. Nicht alle Zellmembranen sind permeable für [18F]FHBG. Insbesondere ist [18F]FHBG nicht in der Lage die Blut-Hirn-Schranke zu passieren und daher unbrauchbar zur Bestimmung der Genexpression im Gehirn. Vor kurzem entdeckte eine Forschergruppe aus Japan ein Gen, das Nukleobasen, wie [18F]FHBG, durch Zellmembranen transportiert. Aus den Ergebnissen dieser Gruppe schließen wir, dass die bisherigen Einschränkungen der Verwendung HSV-tk als PET Reportergen gelöst werden können, wenn HSV-tk mit dem Nukleobasentransporter SLC43A3 kombiniert wird. Um das zu zeigen, haben wir eine Mauslinie entwickelt, in der zum einen der Nukleobasentransporter SLC43A3 ubiquitär exprimiert wird. Zum anderen wird HSV-tk unter der Kontrolle des cfos Promoters exprimiert. cfos gehört zur Familie der „early immediate genes“ und ist der meistbenutzte Marker für Zellaktivierung. Appliziert man der wachen Maus [18F]FHBG und lässt sie ein Verhaltensexperiment machen während der Tracer akkumuliert, so zeigt die nachfolgende PET Messung die verhaltensabhängige cfos Aktivität. Unser Ziel ist damit die Entwicklung des ersten PET Reportersystems, das in der Lage ist Genexpression im zentralen Nervensystem zu messen. Im zweiten Teil werden wir Mauslinien entwickeln, bei der das cfos-abhängige HSV-tk ausschließlich in dopaminergen Zellen oder in AgRP Zellen exprimiert wird. In diesen Mäusen zeigt die verhaltensabhängige [18F]FHBG Akkumulation ausschließlich die Aktivierung von dopaminergen Zellen, bzw. AgRP Zellen an. Mit dieser Methode kann verhaltensabhängige zelltypspezifische Genexpression nichtinvasiv im lebenden Organismus bestimmt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Frank Thomas Wunderlich