Kombinierte experimentelle und bioinformatische Untersuchungen zur Funktionen des RNA-bindenden Proteins PURA und seiner Rolle bei der neuronalen Entwicklungsstörung PURA-Syndrom

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Dierk Niessing; Dr. Katharina Zarnack
• Fachliche Zuordnung: Molekulare und zelluläre Neurologie und Neuropathologie ; Biochemie ; Bioinformatik und Theoretische Biologie ; Zellbiologie
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 541627224

Ziel dieses Projekts ist es, die Funktionen des RNA-bindenden Proteins PURA und die Folgen seiner Haploinsuffizienz bei der neurologischen Entwicklungsstörung PURA-Syndrom zu entschlüsseln. Diese monogenetische, sporadische und seltene Störung wird durch Mutationen im PURA-Gen verursacht und führt zu Symptomen wie geistiger Behinderung, neurologischer Entwicklungsstörung, Hypotonie und Epilepsie. Es ist nur wenig über die molekularen Funktionen bekannt, die bei PURA-Patienten betroffenen sind. Wir zeigten kürzlich, dass PURA zwar DNA als auch RNA bindet, jedoch hauptsächlich als zytoplasmatisches RNA-bindendes Protein für Hunderte von Transkripten in menschlichen Zellen fungiert. Wir schlagen einen interdisziplinären, eng abgestimmten Forschungsplan vor, um die dem PURA-Syndrom zugrunde liegenden molekularen Mechanismen zu entschlüsseln. Dazu kombinieren wir die Expertise der Niessing-Gruppe in (Stamm-)Zellbiologie, Biochemie und Strukturbiologie mit der Erfahrung der Zarnack-Gruppe in Bioinformatik, einschließlich Multi-omics-Analysen, Data Mining und maschinellem Lernen. Wir werden zunächst die RNA- und Protein-Interaktionen von PURA in neur(on)alen Zellen untersuchen und Transkriptom- sowie Proteomveränderungen nach Deletion von PURA untersuchen. Wir entwickeln Vorhersage zur RNA-Bindung von PURA und untersuchen dessen Rolle beim RNA-Transport in Neuriten. Darüber hinaus werden Proteininteraktionspartner in Nervenzellen identifiziert und deren Interaktion biochemisch und strukturbiologisch charakterisiert. Ziel ist es, die gemeinsame Regulation von Ziel-RNAs durch PURA und seine Protein-Interaktionspartner zu verstehen. Die Experimente werden in 2D-Kulturen immortalisierter neuraler Stammzellen durchgeführt, die in verschiedene neur(on)alen Zelltypen differenziert werden können, so dass tiefgehende Daten für spezifische Zellpopulationen gewonnen werden können. Parallel untersuchen wir die Rolle von PURA bei der neur(on)alen Differenzierung in möglichst physiologischer Umgebung, indem wir humane induzierte pluripotente Stammzellen (hiPSCs) als leistungsfähiges Modell verwenden. Dies erlaubt uns, ein breites Spektrum an neurologischen Entwicklungsprozessen von Stammzellen bis zu reifen Neuronen in 2D- und 3D-Modellen abzudecken. Vergleichende Studien mit PURA KO hiPSCs werden uns ermöglichen, betroffene Differenzierungswege in neuralen Vorläuferzellen (NPCs) sowie Unterschiede in der zellulären Zusammensetzung in zerebralen Organoiden zu identifizieren. Schließlich werden wir robuste Biomarker für abnormale Genregulationen identifizieren und Veränderungen in Genexpressionsprofilen mit aus Patienten stammenden hiPSCs in 2D- und 3D-Modellen untersuchen. Zusammenfassend möchten wir mit Hilfe umfassender und multidisziplinärer Anstrengung die molekularen Funktionen des RNA-bindenden Proteins PURA in einer nahezu physiologischen Umgebung verstehen und so die molekularen Ursachen für die Symptome im PURA-Syndrom entschlüsseln.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen