Projekte der AG Molekulare Neurowissenschaften

Die Ätiologie der unipolaren Depression (Major Depression, MDD) ist längst nicht vollständig verstanden. Wir glauben heute, dass eine Kombination genetischer Risikofaktoren sowie das Vorliegen traumatischer Ereignisse, neurobiologischer Störungen und psychosozialer Stress zur Entstehung der MDD beitragen. Pathologische Veränderungen in neurobiologischen Mechanismen betreffen z.B. das Monoaminerge-, Glutamaterge- und GABAerge Neurotransmittersystem, sowie Störungen der Neurogenese, synaptischen Plastizität und Apoptose. Eine aktuelle Hypothese sieht die zentrale Bedeutung mitochondrieller Dysfunktion für die Entstehung psychiatrischer Erkrankungen wie der MDD.

In diesem Zusammenhang versuchen wir molekulare pathomechanismen mitochondrieller Dysfunktion in Zellen depressiver Patienten zu identifizieren.

(Modified from M. Rossbach)

Humanes zelluläres Depressionsmodell

• Gewinnung von Fibroblasten depressiver Patienten und gesunder Kontrollpersonen durch Hautbiopsie
• Reprogrammierung der humanen Fibroblasten und Generierung induzierter pluripotenter Stammzellen (hiPSC)
• Differenzierung der hiPSC zu neuralen Vorläuferzellen (NPCs), Neuronen und Astrozyten

Funktionelle Charakterisierung zellulärer und mitochondrieller Funktion der Fibroblasten, NPCs,  Neurone und Astrozyten

• Mitochondrielles Membranpotential
• Funktion der Atmungskettenenzyme und ATP Synthase (ETC, OXPHOS): High resolution respirometry
• ATP Produktion
• Reaktive Sauerstoffspezies (ROS) und antioxidative Kapazität
• Mitochondrielle Morphologie und Dynamik
• Ca2+ Imaging
• Elektrophysiologie mitochondrieller Ionenkanäle und Transporter

Biophysikalische und pharmakologische Charakterisierung der neuronalen Funktion: von der Zelle zum Netzwerk 

• Funktion der Ionenkanäle und Rezeptoren
• Elektrophysiologie synaptischer Transmission
• Live-Cell Imaging (Ca2+ und Membranpotential)

Neurosteroidogenese, Mitochondrien und Neuroprotektion

Das mitochondriale Translokatorprotein (TSPO) (18 kDa) ist ein hochkonserviertes Protein der äußeren Mitochondrienmembran und scheint an der Regulation vielfältiger zellulärer Prozesse beteiligt zu sein. So können TSPO-Liganden erheblichen Einfluss auf die Steroid-/Neurosteroidbiosynthese nehmen und  somit durch eine gesteigerte Synthese von GABA(A)-Rezeptor modulierenden Neurosteroiden eine Rolle bei der Modulation von Angstverhalten, Stress  und bei Depressionen spielen. Die Bedeutung von TSPO geht jedoch über psychiatrische Erkrankungen hinaus. So ist die Expression von TSPO in peripheren neuronalen Regenerations- (axonale Regeneration), aber auch Degenerationsprozessen wie der amyotrophen Lateralsklerose deutlich erhöht.  Weiterhin scheint der TSPO Komplex auch bei Schädigungen des ZNS, bei neurodegenerativen Erkrankungen (Morbus Alzheimer und Parkinson) und bei Tumoren eine wichtige Rolle zu spielen, da auch hier in den betroffenen Hirnarealen eine deutliche Expressionssteigerung feststellbar ist. Somit ist die Frage nach Funktion und Bedeutung von TSPO und seinen Liganden als mögliches neuroprotektives und neurotherapeutisches Prinzip von großem Interesse für die neurobiologische/psychiatrische Grundlagenforschung sowie für die klinische Anwendung spezifischer TSPO-Liganden als mögliche Therapeutika.
Da die Mechanismen der TSPO-vermittelten Wirkung noch wenig erforscht sind, kann eine differenzierte  Betrachtung der Wirkung von TSPO-Liganden auf die Physiologie und Pathophysiologie von Mitochondrien interessante Befunde liefern. So stellen das mitochondriale Membranpotential, der Ca2+ Flux, die Regulation der MPTP (mitochondrial permeability transition pore), die Interaktion mit VDAC (voltage-dependent anion channel), der Umgang mit reaktiven Sauerstoffspezies und der Release von proapoptotischen Faktoren wichtige funktionale Aspekte dar, die für Proliferation, Überleben und Apoptose von neuronalen Zellen besonders wichtig sind. Eine Untersuchung dieser Parameter könnte neue wichtige Einblicke in die Mechanismen der TSPO-Funktion und die Pharmakologie von TSPO-Liganden gewähren.

• Struktur, Architektur und Funktion des TSPO/VDAC Superkomplexes
• TSPO und Neurosteroidbiosynthese
• Ca2+ Homöostase
• TSPO und reaktive Sauerstoffspezies (ROS)
• Bedeutung, Funktion und Regulation mitochondrialer Ionenkanäle und Transporter
• Regulation mitochondrialer pro- und antiapoptotischer Faktoren
• TSPO und Neuroinflammation

Ein wesentlicher Aspekt unserer Forschungsprojekte ist die Frage nach der Bedeutung von transient receptor potential (TRP) Ionenkanälen für psychiatrische Störungen. Die Familie der humanen TRP Rezeptoren umfasst 27 Mitglieder, die als unselektive (z.T. auch selektive) Kationenkanäle ein sehr breites Aktivierungsspektrum aufweisen und in sehr vielen vegetativen und neuronalen Geweben exprimiert werden. TRP Rezeptoren werden durch chemische und/oder physikalische Reize, sowie durch intrazelluläre Signalkaskaden aktiviert und in ihrer Funktion moduliert. Die biologische Bedeutung dieser Rezeptoren ist äußerst vielfältig und reicht von polymodaler Nozizeption in afferenten sensorischen Nervenfasern über die Regulation grundlegender Zellfunktionen (Proliferation, Apoptose) bis zur Modulation neuronaler Aktivität in definierten Populationen von Nervenzellen und in neuronalen Netzwerken. Die Bedeutung der TRP Rezeptoren für neurologische oder psychiatrische Erkrankungen ist bis heute noch kaum bekannt. TRPC Ionenkanäle (TRPC1, TRPC3, TRPC4 und TRPC6) scheinen eine Rolle bei der Proliferation und Entwicklung von neuronalen Vorläuferzellen zu spielen und nehmen deshalb Einfluss auf die Entwicklung des Nervensystems. Entsprechende Störungen könnten auch bei der Ätiologie schizophrener Erkrankungen eine Rolle spielen.
TRP Ionenkanäle beeinflussen aber auch die Aktivität und Funktion von Nervenzellen im adulten Gehirn. So ist bekannt, dass ein Vertreter aus der Gruppe der TRPC Rezeptoren (TRPC6) die Wiederaufnahme von Neurotransmittern bei der synaptischen Transmission beeinflusst. Chemische Substanzen, die diese Wirkung modulieren, besitzen antidepressives Potential (Hyperforin aus Hypericum perforatum). Weiterhin ist bekannt, dass TRPC5 defiziente Mäuse ein deutlich verändertes Angstverhalten zeigen und somit dieser Rezeptor auch bei  Angsterkrankungen involviert sein könnte. TRPV1 Rezeptoren fungieren in sensorischen Afferenzen als polymodale Nozizeptoren, ihre Expression in zentralen Neuronen verschiedenster Areale und Kerngebiete hat jedoch sicherlich eine andere Bedeutung. So werden TRPV1 (aber auch TRPV2) Rezeptoren in hypothalamischen Vasopressin/Oxytocinergen Neuronen exprimiert und treten häufig in hippocampalen Cannabinoid-Rezeptor-positiven (CB1+) Neuronen auf. Die weitverbreitete Expression der TRPV1 Rezeptoren und Hinweise aus Beobachtungen von TRPV1-defizienten Tieren legen eine mögliche Beteiligung dieses Rezeptors an Krankheitszuständen wie Angststörungen, Depression, Schizophrenie und Stress (Aktivität der HPA-Achse) nahe. Dieses weite Feld steht noch ganz am Anfang der psychiatrischen Forschung und soll in enger Verflechtung von Grundlagenforschung und klinischen Aspekten untersucht werden. So könnten z.B. Genvarianten von TRP Rezeptoren bei Patienten mit affektiven Störungen im Hinblick auf neuroendrokrine Störungen im Bereich der HPA-Achse untersucht werden. Ferner können verfügbare Tiermodelle (chronic mild stress) auf Expression und Funktion von TRP-Rezeptoren untersucht werden.

• Struktur und Funktion
• Funktionale Interaktion von TRP Rezeptoren und G-Proteinen
  • TRPM8 und Gq
  • TRPA1/TRPV1 und G-Proteine
• Modulation von TRPV1 durch Cdk5