Untersuchung der Rekonfiguration der mitochondrialen DNA in menschlichen pluripotenten Stammzellen und differenzierten Neuronen

• Antragsteller: Professor Alessandro Prigione, Ph.D.; Andrea Rossi, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Modelle zum Verständnis von Erkrankungen des Nervensystems ; Zellbiologie
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 579817425

Die Heteroplasmie der mitochondrialen DNA (mtDNA), also das gleichzeitige Vorhandensein von Wildtyp- und mutierten mtDNA-Molekülen in derselben Zelle, kann erhebliche Auswirkungen auf den gesamten Zellstoffwechsel und die Gesundheit haben. Eine hohe Heteroplasmie bestimmter mtDNA-Varianten steht im Zusammenhang mit schweren erblichen mitochondrialen Erkrankungen, die Gewebe beeinträchtigen, die in hohem Maße von mitochondrialer Energie abhängig sind, wie beispielsweise das zentrale Nervensystem. Wir und andere haben bereits gezeigt, dass die mtDNA-Heteroplasmie während der Reprogrammierung menschlicher Fibroblasten zu induzierten pluripotenten Stammzellen (iPSCs) erhebliche Veränderungen durchlaufen kann. Die Überwachung des mtDNA-Zustands könnte daher einen wichtigen Schritt in der Qualitätskontrolle zur Charakterisierung von iPSCs darstellen. Derzeit stehen jedoch zwei Hindernisse einer breiten Anwendung von mtDNA-Analysen von iPSC-Linien im Wege: 1) das mangelnde Verständnis der biologischen Mechanismen, die den mtDNA-Veränderungen während der iPSC-Generierung zugrunde liegen; 2) Die derzeitigen Pipelines für die mtDNA-Analyse sind umständlich und nicht laborübergreifend standardisiert. In diesem Vorschlag wollen wir diese beiden Aspekte angehen, um letztendlich den Bereich der iPSCs und ihre translationalen Implikationen zu verbessern. In dieser hypothesengestützten Arbeit werden wir verschiedene chemische und genetische Manipulationen zur Modulation der mtDNA-Heteroplasmie in etablierten iPSC-Linien und während der Reprogrammierung von Fibroblasten zu iPSCs bewerten. Für die mtDNA-Analyse werden wir unsere neu entwickelte Mitopore-Pipeline einsetzen, die eine kostengünstige und optimierte mtDNA-Profilierung ermöglicht. Parallel dazu werden wir induzierte Neuronen (iNeuronen) aus iPSCs generieren, die von Patienten mit mitochondrialen Erkrankungen stammen, die pathogene mtDNA-Varianten tragen. Durch die Kopplung der neuronalen Funktionalität mit mtDNA-Veränderungen in iNeuronen mit Einzelzellauflösung wollen wir den Einfluss von mtDNA-Defekten auf die neuronale Funktion des Menschen aufdecken. Insgesamt könnte unser Projekt Aufschluss über die Mechanismen geben, die der mtDNA-Rekonfiguration in iPSCs zugrunde liegen, sowie über den Einfluss der Heteroplasmie auf die neuronale Funktionalität. Diese Studien könnten wichtige Auswirkungen auf die Etablierung von Qualitätskontrollanalysen für iPSCs und auf die Entwicklung innovativer Humanmodelle für mtDNA-Erkrankungen haben.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen