H E P A T O S Y S WHO S WHO

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1 H E P A T O S Y S 1 WHO S WHO

2 I n h a l t s v e r z e i c h n i s HepatoSys - Netztwerk Systembiologie Netzwerk Detoxifikation Netzwerk Endozytose Netzwerk Eisenregulation Netzwerk Regeneration W H O I S W H O Plattform Modellierung Plattform Zellbiologie Namensregister... 60

3 H E P A T O S Y S 3 O r g a n i g r a m m / / / K o o p e r a t i o n s k a r t e

4 4 W H O I S W H O Sprecher Prof. Jens Timmer Universität Freiburg, Physikalisches Institut jeti@fdm.uni-freiburg.de stellvertretender Sprecher Prof. Jan G. Hengstler Universität Dortmund, Leibniz Zentrum hengstler@ifado.de Ein Netzwerk für Deutschland Mit dem Ziel, die zellulären Prozesse in Hepatozyten und in Zukunft sogar in der ganzen Leber zu untersuchen, ging im Jahr 2004 HepatoSys an den Start als erste große Forschungsinitiative, die das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und der Projektträger Jülich (PTJ) für den Bereich der Systembiologie ins Leben riefen. Vier verschiedene Netzwerke widmen sich der Regeneration und Differenzierung von Leberzellen sowie den Vorgängen bei Endozytose, Detoxifikation und Eisenstoffwechsel. Unterstützt werden sie durch die beiden Plattformen Zellbiologie und Modellierung, die grundlegende Werkzeuge für die Arbeit des Forschungsverbundes entwickeln und bereitstellen. Mehr als 40 Teams in ganz Deutschland sind heute in den verschiedenen Bereichen von HepatoSys aktiv. Die Steuerung dieses großen Konsortiums übernimmt ein Projektkomitee, das sich aus den Koordinatoren der Netzwerke und Plattformen zusammensetzt. Ein hochkarätiges, internationales Expertengremium begleitet die Forschungsaktivitäten und gibt wertvolle Impulse. Um die vielfältigen organisatorischen Aufgaben kümmern sich das zentrale Projektmanagement in Freiburg und die Projektmanager der einzelnen Verbünde. Als weitere Einrichtung baut die zentrale Datenmanagementeinheit eine Kommunikationsplattform auf, über die beteiligte Wissenschaftler Messergebnisse, Modelle und Methoden austauschen.

5 H E P A T O S Y S 5 Über den Tellerrand Wissen vertiefen, Kooperationen ausweiten Während in der ersten Förderperiode ( ) von HepatoSys der Aufbau einer funktionierenden Infrastruktur sowie das Etablieren grundlegender Werkzeuge für die systembiologische Forschung im Vordergrund stand, gilt es in der laufenden Phase das vorhandene Wissen zu vertiefen und gezielten Fragestellungen zur Biologie der Hepatozyten nachzugehen. In der zweiten Förderperiode beschäftigen sich die meisten Projekte mit der Detoxifikation, Regeneration, Endozytose und dem Eisenstoffwechsel von Hepatozyten auf zellulärer Ebene. In Zukunft will HepatoSys seine Forschungsbereiche auf die suprazelluläre Ebene ausdehnen um sich schließlich der gesamten Leber und ihrer Einbindung in den Organismus zu widmen. Erste Schritte in diese Richtung werden in der laufenden Förderperiode unternommen. Das Leitthema der dritten Förderperiode ( ) wird Bridging the Scales sein. Bei dem Schritt von der zellulären zur suprazellulären Ebene wird sich die Blickrichtung von schnellen zellulären Prozessen hin zu der langsameren Entwicklung von Krankheiten verschieben. Die Erweiterung von HepatoSys zu einem internationalen Forschungsvorhaben wird großen Einfluss sowohl auf die translationale Medizin als auch auf klinische und pharmazeutische Anwendungen haben. Für die Zukunft ist es HepatoSys deshalb besonders wichtig, seine Forschungen gemeinsam mit kompetenten Partnern aus der Industrie sowie mit Arbeitsgruppen außerhalb Deutschlands in eine anwendungsorientierte Richtung voranzutreiben. Als Veranstalter der Konferenz Systems Biology of Mammalian Cells (SBMC) in den Jahren 2006 und 2008 machte HepatoSys international erstmals auf sich aufmerksam. Im Jahr 2009 startet das Projekt CancerSys. Es widmet sich im Rahmen des Health-Programms der EU der Erforschung von Leberkrebs. Projektmanagement Johannes Bausch Universität Freiburg, Physikalisches Institut johannes.bausch@fdm.uni-freiburg.de Projektmanagement Dr. Ute Heisner Universität Freiburg, Physikalisches Institut ute.heisner@fdm.uni-freiburg.de

6 W H O I S W H O 6 N E T Z W E R K D E T O X I F I K A T I O N G I F T S T O F F E E N T S O R G E N Tagein tagaus ist der Körper Fremdstoffen ausgesetzt, zu denen etwa Arzneimittel oder Umweltgifte zählen. Die lebenswichtige Aufgabe, diese Substanzen unschädlich zu machen und für die Ausscheidung vorzubereiten, kommt der Leber zu. Das Netzwerk Detoxifikation, das an verschiedenen Standorten in Deutschland angesiedelt ist, hat sich zum Ziel gesetzt, den Fremdstoffmetabolismus der Hepatozyten mit systembiologischen Methoden zu erforschen. Auf Basis dieses Wissens wollen die beteiligten Wissenschaftler ermöglichen, Vorhersagen für den Abbau von Medikamenten und damit für ihre Wirkung zu treffen. So ist es bereits gelungen, ein Modell für die Verstoffwechslung von Substanzen durch das so genannte Cytochrom P450-System zu etablieren. Damit lässt sich simulieren, wie robust diese zentrale Entgiftungsmaschinerie gegenüber Veränderungen durch Mutationen oder individuelle Unterschiede in den beteiligten Genen ist. Dieses Wissen hilft, Wirkstoffe gezielter einzusetzen und zu dosieren. Das Netzwerk Detoxifikation zeichnet sich durch eine intensive Zusammenarbeit mit verschiedenen Partnern aus der Industrie aus. Im Rahmen dieser Kooperationen entsteht etwa eine Simulation für die Dynamik des Stoffwechsels, mit dem sich die umgesetzten Stoffmengen nachvollziehen lassen. Weitere Kooperationsprojekte befassen sich mit Modellen, die chemische Aspekte des Arzneimittelabbaus berücksichtigen oder dazu beitragen, Biomarker zu identifizieren, die der Vorhersage individuell unterschiedlicher Reaktionen auf Medikamente dienen.

7 H E P A T O S Y S 7 Sprecher Die Arbeiten des Netzwerks leisten einen entscheidenden Beitrag in Richtung individualisierte Therapie sowohl medizinisch als auch wirtschaftlich. Die Modelle helfen, geeignete Medikamentendosierungen für den Einzelnen zu ermitteln und verkürzen zeitund kostenintensive Studien. Prof. Matthias Reuss Universität Stuttgart Institut für Bioverfahrenstechnik reuss@ibvt.uni-stuttgart.de stellvertretender Sprecher Prof. Uli Zanger Dr. Margarete Fischer-Bosch-Institut für Klinische Pharmakologie uli.zanger@ikp-stuttgart.de Koordinatorin Dr. Kerstin Falkner-Tränkle Universität Stuttgart Institut für Bioverfahrenstechnik falkner@ibvt.uni-stuttgart.de

8 N E T Z W E R K D E T O X I F I K A T I O N P R O J E K T E 8 W H O I S W H O Prof. Johann Gasteiger Dr. Lothar Terfloth K o n t a k t Dr. Lothar Terfloth Molecular Networks GmbH Computerchemie, Erlangen terfloth@molecular-networks.com Prof. Jürgen Pleiss Prof. Matthias Reuss K o n t a k t Prof. Jürgen Pleiss Universität Stuttgart, Institut für Technische Biochemie juergen.pleiss@itb.uni-stuttgart.de Chemoinformatische Modellierung des Arzneimittelmetabolismus In diesem Projekt werden Methoden der Chemoinformatik auf die Untersuchung des Metabolismus von Arzneimitteln angewendet. Es werden die Abbaureaktionen von Arzneimitteln - insbesondere Statine - durch die Cytochrom P450 Isoformen in Phase I, die nachfolgende Konjugation in Phase II, die Aufnahme und Ausscheidung der Verbindungen mittels Transportern und die Regulation durch nukleäre Rezeptoren untersucht. Dazu werden wissensbasierte Modelle erstellt, die Vorhersagen über die Chemo- und Regioselektivität der Abbaureaktionen erlauben, also darüber, durch welche chemischen Reaktionen die Substanzen abgebaut und an welcher Stelle die Moleküle angegriffen werden. Die in diesem Projekt entwickelten Methoden können in der Arzneimittelentwicklung zur Vorhersage der pharmakodynamischen Eigenschaften neuer Leitstrukturen beitragen. Darüberhinaus können Arzneimittelwechselwirkungen frühzeitig erkannt werden. Von der Sequenz zur Funktion - Molekulardynamische Modellierung und Simulation Das Projekt widmet sich ebenfalls dem Fremdstoffmetabolismus, vor allem dem Abbau von Statinen, auf molekularer Ebene. Dabei stehen die beteiligten Enzyme im Zentrum des Interesses. Wir entwickeln ein Modell, mit dessen Hilfe sich Voraussagen treffen lassen über die Substratspezifität der Enzyme des humanen Cytochrom P450-Systems und über deren Regioselektivität und damit über die entstehenden Metaboliten. Die Vorhersagen basieren auf Informationen über Struktur und Sequenz der Enzyme auch im Hinblick auf die interindividuelle Variabilität sowie der chemischen Reaktivität und Struktur des Fremdstoffs. Derzeit erweitern wir das Modell für die humane Paraoxonase/Lactonase (PON1), die ebenfalls eine wichtige Rolle im Fremdstoffmetabolismus spielt. Das Ziel der molekularen Modellierung von Spezifität und Selektivität ist es, für ein gegebenes Statin vorherzusagen, welche Metaboliten bei dem enzymkatalysierten Abbau durch Paraoxonase/Lactonase und Cytochrom P450 Monooxygenasen entstehen.

9 H E P A T O S Y S 9 Quantitative Untersuchungen zum Metabolismus und Transport von Statinen Statine gelten als sichere Arzneimittel. Dennoch treten immer wieder Probleme auf, etwa beim Verhältnis zwischen Dosis und cholesterinsenkendem Effekt oder in Form von leberschädigenden oder anderen Nebenwirkungen. Wir gehen davon aus, dass diese Probleme zumindest teilweise auf Interaktionen der Statine mit Hepatozyten, inbesondere den Enzymen und Transportermolekülen des Fremdstoffmetabolismus sowie dem eigentlichen Zielprotein, der HMGCoA-Reduktase, beruhen. Daher arbeiten wir an Modellen, mit denen sich diese Wechselwirkungen nachvollziehen und gezielt untersuchen lassen. Mit diesem Wissen wollen wir dazu beitragen, dass sich Statine künftig gezielter und sicherer einsetzen lassen. Dr. Kathrin Klein Stephan Riedmaier Prof. Uli Zanger K o n t a k t Prof. Uli Zanger Dr. Margarete Fischer-Bosch-Institut für Klinische Pharmakologie uli.zanger@ikp-stuttgart.de

10 N E T Z W E R K D E T O X I F I K A T I O N P R O J E K T E Victoria Bulling Clint Melgar Dr. Oliver Burk Luam Ghebreghiorghis Quantifizierung arzneimittelinduzierter Interaktionen Fremdstoffe, unter ihnen Medikamente wie Rifampicin und Statine, erhöhen die Expression arzneimittelabbauender Enzyme und tragen so zu einer Steigerung der Entgiftungskapazität von Leberzellen bei. Diese Induktion der Genexpression wird durch die Aktivierung der Kernrezeptoren PXR und CAR vermittelt. Das Projekt widmet sich der Untersuchung der biomolekularen Interaktionen der Kernrezeptoren mit diesen Wirkstoffen und mit ko-regulatorischen Proteinen. Quantitative Daten zur Expression bilden gemeinsam mit kinetischen Daten die Basis zur Modellierung der induzierten Expression arzneimittelabbauender Enzyme. Ziel ist ein besseres Verständnis der Ursachen interindividueller Variabilität der Induktion. Thomas Reichart Prof. Rolf Schmid 10 W H O I S W H O Ella Hoffarth K o n t a k t Dr. Oliver Burk Prof. Rolf Schmid Universität Stuttgart oliver.burk@ikp-stuttgart.de rolf.d.schmid@itb.uni-stuttgart.de

11 11 Modellierung und Simulation der Detoxifikation und Genregulation in Hepatozyten Das Projekt beschäftigt sich mit der mathematischen Modellierung des Fremdstoffmetabolismus und der Genregulation in menschlichen Hepatozyten. Die Schwerpunkte in der Modellierung des Metabolismus liegen in der Untersuchung der topologischen und dynamischen Eigenschaften des Fremstoffmetabolismus. Die Modellierung der komplexen genregulatorischen Phänomene, die den Fremdstoffabbau regeln, beinhaltet die Rekonstruktion der Netzwerkstruktur basierend auf Microarray Daten. Joachim Bucher Prem Kumar Murugan Prof. Matthias Reuss H E P A T O S Y S Oliver Frey Prof. Andreas Herrmann Kinetisches Modell der biliären Stoffausscheidung Gallenflüssigkeit ist von großer Bedeutung für das Entsorgen von Endprodukten aus Entgiftungsprozessen. Die Vorgänge der Bildung und Ausscheidung von Galle sind jedoch noch nicht in ihrer Gesamtheit verstanden. Das Projekt verfolgt einen ganzheitlichen Ansatz zur Untersuchung der wichtigsten molekularen Prozesse der Gallenbildung. Wir führen dazu mikroskopische Studien an Zellen und mehrere Modelle metabolischer Prozesse wie der Synthese beziehungsweise Homöostase von Cholesterol, Phospholipiden, Lipoproteinen und Gallensalzen zusammen. Ziel ist, im Fall einer Störung des Stoffwechsels etwa durch Statine eine Vorhersage zur Zusammensetzung der Zellmembranen und Gallenflüssigkeit aus Lipiden und Nebenprodukten treffen zu können. K o n t a k t Prof. Matthias Reuss Universität Stuttgart, Institut für Bioverfahrenstechnik reuss@ibvt.uni-stuttgart.de Prof. Hermann-Georg Holzhütter Martin Stöckl K o n t a k t Oliver Frey Charité - Universitätsmedizin Berlin Institut für Biochemie oliver.frey@charite.de

12 N E T Z W E R K D E T O X I F I K A T I O N P R O J E K T E Ute Hofmann Klaus Maier Identifikation metabolischer Flüsse und Metabolit- Dynamiken in humanen Hepatozyten Die Hauptziele dieses Folgeprojektes sind (i) die Erstellung und Validierung eines umfassenden dynamischen metabolischen Netzwerks, was in enger Kollaboration mit der Plattform Modellierung durchgeführt wird, sowie (ii) die Kopplung des metabolischen Moduls mit dem in Projekt Modellierung und Simulation der Detoxifikation und Genregulation in Hepatozyten entwickelten Detoxifikations-Moduls. Die Quantifizierung von Metaboliten basiert auf GC/LC-Massenspektrometrie in Kombination mit 13CIsotopenmarkierung. Dr. Klaus Mauch 12 K o n t a k t Dr. Klaus Mauch Insilico Biotechnology GmbH klaus.mauch@insilico-biotechnology.com W H O I S W H O

13 H E P A T O S Y S 13 Dr. Elmar Langenfeld (bis Nov. 2008) Prof. Katrin Marcus Zielgerichtete Proteomanalyse von humanen Primärhepatozyten Das Projekt nähert sich den Stoffwechselvorgängen in der Leber auf der Ebene des Proteoms. Im Zentrum der Arbeit steht die Untersuchung von ausgewählten wichtigen Schlüsselproteinen des Statinabbaus sowie von relevanten Molekülen für den Arzneimitteltransport, um Mechanismen der Detoxifikation in der Leber besser zu verstehen. Dabei verfolgen wir sowohl quantitative als auch qualitative Ansätze, konzentrieren uns also auf die Bestimmung der relativen und absoluten Expressionsmenge, den Phosphorylierungsstatus sowie funktionelle Eigenschaften relevanter Proteine. Dr. Gorden Redlich (bis Nov. 2008) Dr. Anke Schnabel Bettina Serschnitzki K o n t a k t Prof. Katrin Marcus Ruhr-Universität Bochum, Abteilung Funktionelle Proteomik, Medizinisches Proteom-Center katrin.marcus@rub.de

14 N E T Z W E R K D E T O X I F I K A T I O N P R O J E K T E Dr. Michael Bonin K o n t a k t Microarray Facility Tübingen, Inst. für Humangenetik, Abt. Med. Genetik michael.bonin@med.uni-tuebingen.de Entwicklung transkriptioneller Netzwerke und deren Regulation in Statin- behandelten Hepatozyten Mit dem zunehmenden Einsatz von Statinen in der Therapie von Fettstoffwechselstörungen, häufen sich auch die Fälle von Wechselwirkungen dieser Wirkstoffe mit anderen Medikamenten mit schwerwiegenden gesundheitlichen Konsequenzen. Bislang ist wenig darüber bekannt, wie sich Statine auf die Genexpression in Hepatozyten, genauer gesagt die RNA-Expressionsprofile auswirken. Wir nähern uns dieser Frage zunächst mithilfe von Zeitreihenexperimenten, bei denen wir die Veränderung der RNA-Expression unter Einfluss von zwei verschiedenen Statinen auf Genomebene untersuchen. Die zu bestimmenden Expressionsunterschiede sollen u.a. Aufschlüsse über den pleiotrophen Effekt der Statine geben. Dr. Kerstin Falkner-Tränkle Die zentrale Einheit Zellbiologische Arbeiten unterstützt die Arbeitsgruppen des Verbundes Detoxifikation beim Einsatz funktioneller Hepatozyten (Ratte, Mensch). Die Hauptaufgaben bestehen in der Kultivierung der Zellen, der Durchführung von Experimenten, der Bereitstellung von standardisiertem biologischem Material und auch von biochemischen und molekularbiologischen Methoden (SOP) für die verschiedenen Projekte des Netzwerks. Prof. Dr. Matthias Reuss Gabriele Vacun 14 W H O I S W H O K o n t a k t Gabriele Vacun Universität Stuttgart, Institut für Bioverfahrenstechnik vacun@ibvt.uni-stuttgart.de

15 15 Modellidentifikation großer regulatorischer Netzwerke in Hepatozyten Das Hauptziel des Projektes ist es, mit Hilfe von Microarray-Analysen die funktionalen Zusammenhänge zwischen Transkriptionsfaktoren und Enzymen des Wirkstoffmetabolismus, insbesondere des Statinabbaus, zu bestimmen. Die Kenntnis dieser Zusammenhänge ist essentiell für das Verständnis und die Vorhersage von Wirkstoff- Interaktionen. In einem weiteren Schritt widmet sich die Gruppe von Prof. Zell der Detektion von Einzelnukleotid-Polymorphismen, anhand derer sich interindividuelle Unterschiede in der Regulation des Wirkstoffmetabolismus erklären lassen. Andreas Dräger Adrian Schröder Prof. Andreas Zell H E P A T O S Y S Dr. Andreas Schuppert K o n t a k t Bayer Technology Services GmbH, PT AS CS andreas.schuppert@bayertechnology.com Analyse und Modellierung individueller Einflussfaktoren auf die leberspezifische Aktivität und die Toxizität von Statinen Das Projekt konzentriert sich auf die starke interindividuelle Variation der Wirkung von Statinen. Ziel ist ein systembiologisches Modell, das eine Vorhersage der Statinwirkung bei Patienten erlaubt. Zu diesem Zweck führen wir mechanistische Modelle, wie sie in den anderen Teilprojekten des Netzwerks entwickelt werden und datengetriebene Modelle, die auf Maschinenlernverfahren beruhen, zusammen. Dabei legen wir besonderen Wert auf die Integration von Daten zum Genotyp und Genexpression des einzelnen Patienten sowie der Interaktion der Statine mit seinen individuellen physiologischen Voraussetzungen. K o n t a k t Prof. Andreas Zell Universität Tübingen, Zentrum für Bioinformatik (ZBIT) andreas.zell@uni-tuebingen.de

16 N E T Z W E R K E N D O Z Y T O S E T R A N S P O R T W E G E D E R Z E L L E Endozytose ist ein zentraler Transportprozess, mit dem Zellen sich Membrankomponenten und daran gebundene sowie gelöste Substanzen etwa Nahrungsteilchen, Signalmoleküle oder Wirkstoffe einverleiben. Dazu stülpt sich die Zellmembran ein und bildet Vesikel, die ihre Ladung an das so genannte endosomale Transportsystem übergeben. Dieses liefert das Material dann an seinen Bestimmungsort aus. So steuert die Zelle Nährstoffaufnahme, Proteintransport oder die Reaktion auf Wachstumsfaktoren und Hormone. Ausserdem besteht ein enger Zusammenhang zwischen Endozytose und der Signalübertragung im Zellinneren. Auch bei Krankheiten wie Alzheimer, Asthma oder bestimmten Infektionen spielt die Endozytose eine wichtige Rolle. Ihre Mechanismen aufzuklären ist von enormer Bedeutung für das Verständnis grundlegender zellulärer Prozesse sowie für die Medizin. Das Netzwerk Endozytose, mit Partnern in vielen Forschungszentren der Bundesrepublik, nähert sich dieser Fragestellung von mehreren Seiten. So ist es gelungen, den Transport von Endosomen mit neuen quantitativen Methoden live im Mikroskop zu beobachten und ihre Route im Zellinneren nachzuvollziehen. Außerdem identifizierten die Wissenschaftler des Netzwerks Moleküle auf der Oberfläche der Vesikel, die deren Bewegung steuern. Als wertvolles Werkzeug für die Untersuchung der Endozytose entstand eine Simulationsplattform, mit der sich Auf-, Ab- und Umbau der Transportvehikel nachvollziehen lassen. Entscheidend für den Erfolg der Forschungsprojekte ist die enge Zusammenarbeit mit Industriepartnern: So entwickelt die Definiens-AG in München ein ausgeklügeltes Bildanalysesystem, mit dem sich Messergeb- W H O I S W H O 16

17 H E P A T O S Y S 17 Sprecher nisse in Bilddateien und Simulationen umwandeln lassen und umgekehrt. Von einem besseren Verständnis der Endozytose erhoffen sich die Wissenschaftler neue Ansatzpunkte für die Behandlung von Krankheiten, bei denen intrazelluläre Transportprozesse eine Rolle spielen. Außerdem kann eine Simulation der Vorgänge helfen, die Aufnahme von neuen Wirkstoffen in eine Zelle und damit ihre Effektivität und Toxizität besser einzuschätzen. Prof. Marino Zerial Max-Planck-Institut für Molekulare Zellbiologie und Genetik zerial@mpi-cbg.de stellvertretender Sprecher Prof. Steven Dooley Universität Heidelberg, Medizinische Fakultät Mannheim, II. Medizinische Klinik, Mol. Alkoholforschung in der Gastroenterologie steven.dooley@medma.uni-heidelberg.de Koordinatorin Dr. Jutta Tatzel Max-Planck-Institut für Molekulare Zellbiologie und Genetik tatzel@mpi-cbg.de

18 N E T Z W E R K E N D O Z Y T O S E P R O J E K T E Thomas Maeke Prof. John McCaskill Dr. Nadine Mennes Eine mesoskale Plattform für die systematische Simulation von Physik und Chemie der Endozytose Die systembiologische Analyse der Endozytose in Leberzellen stellt uns vor neue Herausforderungen, da molekulare Reaktionen, Transportprozesse und morphologische Veränderungen der Vesikel eng miteinander verknüpft sind. Das komplexe Zusammenspiel von biochemischen Reaktionen und physikalischer Selbstorganisation ermöglicht Funktionalitäten der Leberzellen wie das Sortieren und den zielgerichteten Transport von Proteinen. Um diese Vorgänge und ihre Vernetzung zu erforschen, erstellen wir eine Simulationsplattform, die diese Vorgänge auf mehreren Ebenen berücksichtigt. Die Integration erstreckt sich dabei von der Dynamik der Proteinaggregation auf Membranen, über das Ausknospen (Budding) und die Fusion von Vesikeln, bis hin zu Transportvorgängen und Veränderungen von Morphologie und ihrer Aufgaben. Dr. Uwe Tangen Dr. Patrick Wagler K o n t a k t Prof. John McCaskill Ruhr-Universität Bochum, BioMIP john.mccaskill@biomip.rub.de W H O I S W H O 18

19 H E P A T O S Y S 19 Dr. Bernd Binder Notwendige Bedingungen für die Aufrechterhaltung und Transformation von biochemisch unterschiedlichen Organellen Zellen können Größe und Zahl ihrer Organellen an physiologische Änderungen anpassen, zu denen auch die Endozytose zählt. Solche Anpassungen werden durch den kontinuierlichen Umsatz von Organellen mittels Synthese, Abbau und Vesikelaustausch geregelt. Der charakteristische biochemische Aufbau von Organellen erfolgt mittels Markerproteinen. Wir verallgemeinern das Heinrich-Modell (2005), indem wir die de novo Bildung von Organellen mittels eines sich selbst organisierenden Prozesses beschreiben. Prof. Hermann-Georg Holzhütter K o n t a k t Dr. Bernd Binder Charité Universitätsmedizin Berlin, Institut für Biochemie bernd.binder@charite.de

20 N E T Z W E R K E N D O Z Y T O S E P R O J E K T E Dr. Lutz Brusch Perla Del Conte-Zerial Prof. Andreas Deutsch Räumlich-zeitliche Regulation der Endozytose Unsere Gruppe konzentriert sich auf die räumlichzeitlichen Aspekte der Endozytose, insbesondere bei der Regulation der unterschiedlichen Transportvesikel im Zellinneren sowie dem Sortieren der Fracht, also dem Zuordnen von Rezeptoren und Liganden zu ihrem Bestimmungsort. Das Integrieren experimenteller Daten aus den Arbeitsgruppen von Prof. Marino Zerial und Prof. Steven Dooley in ein räumlich-zeitliches Modell zeigte, dass der Endozytosepfad einen bislang unbekannten Feedback- Mechanismus nutzt, den cut-out switch. Dabei verdrängt ein regulatorisches Protein ein anderes von der Vesikeloberfläche, wodurch das Transportvesikel einer anderen Population zugeordnet wird und neue Aufgaben übernehmen kann. Dr. Edward Flach 20 K o n t a k t Prof. Andreas Deutsch Technische Universität Dresden, Zentrum für Informationsdienste und Hochleistungsrechnen andreas.deutsch@tu-dresden.de W H O I S W H O

21 H E P A T O S Y S 21 Etablierung von Spitzenoptik und Hochleistungssoftware als Industrienorm für die bildbasierende Analyse von Signalwegen Wir entwickeln die technologische Grundlage, um Modelle und Vorhersagen schnell und in einem großen Maßstab zu überprüfen. Dazu verfolgen wir einen multidisziplinären Ansatz der Hochdurchsatztechnologien für zellbasierte Experimente mit automatisierter Bildanalyse kombiniert. Mit einem skalierbaren Datenbanksystem, welches Bilder aller Dateiformate aus dem komplexen Vorgang des High-Content-Screenings sammelt und für mehrere Benutzer zur weiteren Forschung bereitstellt, wird eine zentrale und strukturierte Ablage, einschließlich der Analyseberichte und der Möglichkeit des Wiederaufrufens der Daten für weitere Forschungszwecke geschaffen. Damit lassen sich die Ergebnisse aus den Simulationen schnell überprüfen, neue Regulatoren identifizieren und gezielt weitere Experimente planen. Insbesondere mit Datenmanagement und der Analyse verfolgt Perkin Elmer das Ziel, einen Standard für Bilddaten für die biologische und pharmazeutische Forschung zu etablieren. Definiens High-Content-Analyse für experimentelle und simulierte Image- Dateien bei der Endozytose Im Rahmen der Arbeiten des Netzwerks Endozytose entsteht eine Vielzahl, teils sehr unterschiedlicher und komplexer Bilddaten, etwa simulierte Bilddaten aus der Gruppe von Prof. John McCaskill oder experimentelle Aufnahmen aus der Gruppe von Prof. Marino Zerial. Der Definiens AG kommt die Aufgabe zu, auf Basis der Definiens Cognition Network Technology ein System für die automatisierte Bildanalyse zu entwickeln. Ziel ist dabei nicht nur das Auswerten unterschiedlichster Bilddaten. Es wird zudem angestrebt, dass sich diese Daten zusammenführen und in einander umwandeln lassen. So wird es möglich, Parameter aus experimentellen Bilddateien zu gewinnen oder umgekehrt, Messergebnisse für das Erstellen simulierter Bilder zu nutzen. Dr. Martin Daffertshofer K o n t a k t Perkin Elmer Cellular Technologies Germany GmbH martin.daffertshofer@perkinelmer.com Dr. Maria Athelogou Prof. Gerd Binnig Dr. Günter Schmidt K o n t a k t Dr. Maria Athelogou Definiens AG mathelogou@definiens.com

22 N E T Z W E R K E N D O Z Y T O S E P R O J E K T E Dr. Anastasia Bachmann Prof. Steven Dooley Dr. Iryna Ilkavets Sonja Lukowski Systembiologische Analysen der TGF-β- Signaltransduktion in Hepatozyten und Translation zur Aufklärung der Progression chronischer Lebererkrankungen Die Leber ist als einziges Organ in der Lage, sich nach Schäden beinahe vollständig zu regenerieren. Bestimmte Krankheiten etwa Alkoholismus oder Infektionen mit Hepatitis B- oder C-Viren führen jedoch zu einer anhaltenden Zerstörung des Lebergewebes. Eine wichtige Rolle für die Regeneration, aber auch für fortschreitende, chronische Schäden spielt das Signalmolekül TGFβ. Wir haben in unserem Projekt neue regulatorische Zusammenhänge zwischen der TGFβ-Signaltransduktion und der Endozytose identifiziert. Dies wird die Entwicklung von Medikamenten für die Behandlung von Lebererkrankungen entscheidend beeinflussen und voranbringen. Unsere Daten fließen in verschiedene Modelle des HepatoSysnetzwerks ein und tragen so zum besseren Verständnis der Vorgänge in der Leberzelle bei. Christoph Meyer Alexandra Müller Marlies Mürnseer 22 W H O I S W H O K o n t a k t Prof. Steven Dooley Universität Heidelberg, Medizinische Fakultät Mannheim, II. Medizinische Klinik, Mol. Alkoholforschung in der Gastroenterologie steven.dooley@medma.uni-heidelberg.de

23 H E P A T O S Y S 23 Dr. Michael Martinez Manohar Pilli Proteinstrukturbasierte Modellierung und Computersimulationen der Prozesse der zentralen Endozytose Wir nutzen eine Kombination von Methoden aus der Bioinformatik und der proteinstrukturbasierten Computersimulation, um Proteine der Endozytose und von verknüpften Signalwegen zu identifizieren und zu charakterisieren. Darüberhinaus entwickeln wir Methoden, die verschiedene Zeitskalen überbrücken, zur Simulation von Bindungsprozessen von membran-gebundenen Proteinen und wenden diese auf Proteine der zentralen Endozytose an. Dr. Matthias Stein Dr. Rebecca Wade C o n t a c t Dr. Rebecca Wade EML Research ggmbh, Heidelberg Molecular and Cellular Modeling Group rebecca.wade@eml-r.villa-bosch.de

24 N E T Z W E R K E N D O Z Y T O S E P R O J E K T E Dr. Sabine Bernauer Sarah Seifert Charles Bradshaw Claudio Collinet Dr. Bianca Habermann Die systembiologische Analyse der Endozytose in primären Maushepatozyten Der endozytotische Materialtransport unterliegt verschiedenen molekularen Regulationsvorgängen. Im EndoSys-Netzwerk untersuchen wir die molekularen Schalter, die den Übergang zwischen frühen und späten Endosomen regeln. Eine wichtige Rolle nimmt dabei das Protein Rab5 ein, das typisch ist für die Oberfläche der frühen Endosomen. Wir haben eine transgene Maus generiert, die fluoreszenzmarkierte Rab5 Proteine exprimiert. So ist es uns gelungen, die Rab5-Proteine sowie die zugehörigen Effektoren in der Leberzelle zu lokalisieren. Durch die Entwicklung einer Simulationsplattform haben wir zudem ein quantitatives Model zum Switch von Rab5 auf frühen zu Rab7 auf späten Endosomen erstellt und konnten Vorhersagen zur Funktionalität der Rab-Effektoren treffen. Dies dient einem besseren Verständnis der Regulationsmechanismen der Endozytose. Dr. Martin Stöter Dr. Anja Zeigerer Prof. Marino Zerial Giovanni Marsico W H O I S W H O 24 K o n t a k t Prof. Marino Zerial Max-Planck-Institut für Molekulare Zellbiologie und Genetik zerial@mpi-cbg.de

25 H E P A T O S Y S 25 Prof. Dr. Augustinus Bader Mario Keller Isabell Schulz Die Erforschung von Endozytosevorgängen in primären Hepatozyten erfordert ein Kulturmodell, dass eine anhaltende Untersuchung in polarisierten Zellen zulässt, eine De-Differenzierung der Zellen verhindert und eine Verbindung zur High-Throughput Umgebung erlauben sollte. Es ist schwierig, alle drei Anforderungen mit den aktuellen Modellen zu erfüllen. Das beste zurzeit verfügbare Modell ist das so genannte Sandwich-Modell mit wiederhergestellter Matrix-Geometrie. Leider limitiert dieses Modell den Zugang zur zellulären Schicht durch die überschichtete Collagenmatrix. Wir modifizierten dieses Modell, um die analytische Verfügbarkeit zu verbessern, und bewiesen die Aufrechterhaltung der hepatischen Polarität für mindestens 14 Tage und die endozytotische Aktivität. Zusätzlich dazu wird eine Strategie für HTS-Analysen entwickelt. K o n t a k t Prof. Dr. Augustinus Bader Cell Techniques and Applied Stem Cell Biology Zelltechniken und angewandte Stammzellbiologie, Universität Leipzig Augustinus.Bader@bbz.uni-leipzig.de or 51

26 N E T Z W E R K E I S E N R E G U L A T I O N D E N E I S E N S T O F F W E C H S E L E R F O R S C H E N Ionisches Eisen ist lebenswichtiges Spurenelement und gefährliches Gift zugleich. Ohne Eisen funktioniert die Sauerstoffversorgung des Körpers ebenso wenig wie die Zellatmung zur Bereitstellung von Energie, und auch für das Entsorgen von Arzneimitteln oder Umweltgiften ist es unabdingbar. Ein Mangel an der Spurensubstanz kann daher zu schwerwiegenden Gesundheitsschäden führen. Umgekehrt ist ein Zuviel an Eisen problematisch, etwa bei der Eisenspeicherkrankheit, einer genetischen Erkrankung, bei der Ablagerungen in der Leber zum Schrumpfen des Organs, zu Krebs und zum Tod führen können. Die zentrale Steuerung des Eisenstoffwechsels übernimmt die Leber. Sie reguliert Aufnahme, Verteilung und Ausscheiden des Spurenelements im gesamten Körper. Ein Verständnis dieser Kontrollfunktion ist von großer medizinischer Bedeutung, um im Falle von Eisenmangel oder -überschuss therapeutisch eingreifen zu können. Das Netzwerk Eisenregulation angesiedelt in Berlin und Heidelberg hat sich zum Ziel gesetzt, die Regulationsvorgänge des Eisenstoffwechsels genauer zu erforschen. Auf Basis physiologischer Untersuchungen bei Mäusen erstellten die Verbundpartner ein Computermodell für die Eisenregulation durch die Leber bei gesunden Nagern. Hier fließen nun Ergebnisse aus Experimenten mit genetisch veränderten Tieren ein, bei denen bestimmte Funktionen des Eisenstoffwechsels beeinträchtigt sind, um die Konsequenzen einer Störung auf das gesamte System zu simulieren. Auf dieser Grundlage entsteht zudem ein vergleichbares Modell für den Menschen. W H O I S W H O 26

27 H E P A T O S Y S 27 Ziel ist eine Computersimulation, mit der sich ein gesunder Eisenstoffwechsel ebenso nachvollziehen lässt wie pathologische Abweichungen als Grundlage für eine detaillierte Untersuchung des Eisenstoffwechsels. Sprecher Prof. Jens Reich Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin reich@mdc-berlin.de stellvertretende Sprecherin Prof. Martina U. Muckenthaler Universität Heidelberg, Universitätsklinik für Kinder- und Jugendmedizin martina.muckenthaler@med.uni-heidelberg.de Außerdem besteht die Hoffnung, solche Simulationen in der Zukunft für eine computergestützte Therapieplanung einzusetzen. Koordinator Tiago Jose Da Silva Lopes Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin tiagojose.dasilvalopes@mdc-berlin.de

28 N E T Z W E R K E I S E N R E G U L A T I O N P R O J E K T E Tiago Jose Da Silva Lopes Prof. Jens Reich K o n t a k t Prof. Jens Reich Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin reich@mdc-berlin.de Flussmodell für die Verteilung und Konzentration von Eisen Ziel des Projektes ist das Erstellen eines dynamischen Modells für den Eisenumsatz. Dazu haben wir eine Datensammlung von mehr als 1200 Publikationen zum Eisenstoffwechsel bei Mensch, Hund, Ratte und Maus angelegt und ausgewertet. Der Schwerpunkt lag dabei auf quantitativen Aspekten des von der Leber kontrollierten Eisenstoffwechsels. Auf Basis dieser Daten ist es gelungen, ein Flussmodell für die Maus zu entwickeln, mit dem sich die Verteilung und Konzentration des Eisens unter verschiedenen Ernährungsbedingungen simulieren lässt. Parallel dazu arbeiten wir an einem vergleichbaren Modell für den Menschen als quantitative Grundlage zur Simulation des normalen Eisenstoffwechsels sowie pathologischer Abweichungen. W H O I S W H O 28

29 H E P A T O S Y S 29 Simulation von Störungen im Eisenhaushalt Das Projekt widmet sich den regulatorischen Mechanismen, die den Eisenhaushalt auf systemischer und zellulärer Ebene steuern. Dazu arbeiten wir mit genetisch veränderten Mäusen mit verschiedenen Beeinträchtigungen in den zentralen Kontrollstellen und erheben quantitative Daten zum gestörten Eisenstoffwechel der Tiere. Die Befunde ergänzen wir durch Ergebnisse aus Zellkulturexperimenten und nutzen die Daten schließlich für ein Computermodell, mit dem sich Störungen im Eisenhaushalt und damit verbundene Krankheiten simulieren lassen. So tragen wir zu einem besseren Verständnis dieser Erkrankungen bei und hoffen neue Ansatzpunkte für die Therapie von Eisenstoffwechselkrankheiten zu finden. Dr. Sandro Altamura Prof. Matthias W. Hentze Prof. Martina U. Muckenthaler K o n t a k t Prof. Martina U. Muckenthaler Universität Heidelberg, Universitätsklinik für Kinder- und Jugendmedizink martina.muckenthaler@med.uni-heidelberg.de

30 N E T Z W E R K R E G E N E R A T I O N D I E R E G E N E R I E R E N D E L E B E R Die besondere Eigenschaft der Leber, sich nach Verletzungen und Schädigungen wieder zu regenerieren, hat eine große Bedeutung für die Medizin: Auf der einen Seite kann eine unkontrollierte Vermehrung von Leberzellen bei der Regeneration entweder zur Vernarbung des Lebergewebes oder zur Krebsentstehung führen. Auf der anderen Seite kann ein Verlust der Regenerationsfähigkeit von Leberzellen bei massiven und chronischen Schädigungen tödliche Krankheiten wie die Leberzirrhose zur Folge haben. Es ist daher von großem Interesse, Schlüsselstellen der Leberregeneration zu identifizieren, um medikamentös in das Geschehen einzugreifen und Schädigungen abzuwenden. Das Netzwerk Regeneration - mit 23 beteiligten Arbeitsgruppen der größte Zusammenschluss innerhalb des HepatoSys-Konsortiums - hat sich zur Aufgabe gemacht, die molekularen und zellbiologischen Prozesse der Leberregeneration auf der Ebene einzelner Zellen zu ermitteln. Dazu untersuchen Wissenschaftler des Netzwerks Signalwege, welche die Vermehrung der Leberzellen steuern. Sie fanden heraus, dass hier bestimmte Proteine, die Wissenschaftler mit herkömmlichen biologischen Methoden bisher nicht analysieren konnten, eine Kontrollfunktion übernehmen. Diese Schlüsselmoleküle eignen sich möglicherweise als neue Angriffspunkte für eine Therapie von Leberkrebs. Eine zukunftsweisende Technologie, die aus dem Netzwerk hervorgeht, ist die Entwicklung eines Modells, mit dem sich die Regeneration der komplexen Organarchitektur räumlich und zeitlich im Computer simulieren lässt. In dieses Modell sollen nach und nach Erkenntnisse über Signalübertragung und Stoffwechsel integriert werden, W H O I S W H O 30

31 H E P A T O S Y S 31 Sprecher um die gesamten Vorgänge während der Regeneration in dem Organ Leber zu simulieren. Betrachtet werden hierbei sowohl die physiologische Regeneration als auch pathologische Ereignisse wie Krebs und andere Erkrankungen. Mit dem Modell entsteht ein wertvolles Werkzeug für die Grundlagenforschung, Medizin und Pharmaindustrie. Prof. Jens Timmer Universität Freiburg, Physikalisches Institut jeti@fdm.uni-freiburg.de stellvertretende Sprecherin Dr. Ursula Klingmüller Deutsches Krebsforschungszentrum, Heidelberg u.klingmueller@dkfz.de Koordinatorin Dr. Elke Martinez Universität Freiburg, Physikalisches Institut elke.martinez@fdm.uni-freiburg.de

32 N E T Z W E R K R E G E N E R A T I O N P R O J E K T E Sabine MacNelly Prof. Fritz von Weizsäcker K o n t a k t Prof. Fritz von Weizsäcker Schlossparkklinik Berlin, Humboldt-Universität Berlin Medizinische Universitätsklinik Freiburg fritz.weizsäcker@schlosspark-klinik.de Etablierung und Validierung von Standard Operating Procedures für die Isolierung und Kultivierung von primären Hepatozyten Für die mathematische Modellierung zellulärer Prozesse der Leber sind reproduzierbare Daten aus Zellkulturexperimenten unabdingbar. Die Grundvoraussetzung dafür sind standardisierte Methoden für das Isolieren und Kultivieren primärer Hepatozyten. In Zusammenarbeit mit der Plattform Zellbiologie haben wir SOPs (Standard Operating Procedures) für Maushepatozyten etabliert. Mit diesen Zellen versorgen wir die Arbeitsgruppen des netzwerks Regeneration, die mit primären Hepatozyten arbeiten. Dr. Thomas M. Halder Dr. Franka Pluder Kristina Teichmann K o n t a k t Dr. Thomas M. Halder TopLab GmbH, Martinsried halder@toplab.de W H O I S W H O 32

33 H E P A T O S Y S 33 Quantifizierung von Signaltransduktionswegen mittels hochauflösender Massenspektrometrie Ziel unseres Projektes ist es, hochsensitive massenspektrometrische Methoden zu entwickeln, mit denen sich Proteine aus den Signalwegen der Wachstumsfaktoren TGFβ und IL-6 identifizieren und quantifizieren lassen. Wir haben auf Grundlage von LC-MALDI-MS (Liquid Chromatographie-Matrixassisted Laser Desorptions Massenspektrometrie) eine Quantifizierungsmethode etabliert, die ohne Markierung der Proteine auskommt. Es handelt sich dabei um eine Flüssigkeitschromatographie zum Fraktionieren hoch komplexer Proben etwa Peptide gekoppelt mit Massenspektrometrie zur Massen- und Sequenzbestimmung der jeweiligen Peptide sowie zu deren relativer Quantifizierung. Die Methode wurde erfolgreich an den Proteinen SMAD2 und SMAD3 des TGFβ-Signalwegs getestet. Außerdem haben wir eine Methode entwickelt, die auf multiplem Reaktionsmonitoring mittels ESI-MS (Elektrospray-Ionisations-Massenspektrometrie) beruht. Sie erlaubt eine hoch spezifische und hoch sensitive Detektion proteinspezifischer Peptide. Entwicklung einer Phosphoproteomkarte für die Hepatozyten-Regeneration Unsere Gruppe untersucht das Proteom und Phosphoproteom, der Gesamtheit aller Proteinphosphorylierungen, in Mausleberzellen sowohl in primären Hepatozyten als auch in der Zelllinie Hepa1 6. Dazu haben wir eine neue bioinformatische Methode entwickelt, das so genannte proteomische Phänotypisieren. Damit lassen sich aus quantitativen Proteindaten funktionelle Unterschiede der Zellen unter verschiedenen Bedingungen extrahieren, und so die Zellen in unterschiedlichen Zuständen phänotypisieren. Außerdem haben wir damit begonnen, in primären Hepatozyten sowie Hepa1 6-Zellen das dynamische Proteom und Phosphoproteom nach der Stimulation mit zu messen, um die Proteine zu identifizieren, die für die induzierten Signalwege von Bedeutung sind. Prof. Matthias Mann Dr. Mara Monetti Dr. Cuiping Pan Gabriele Stoehr K o n t a k t Prof. Matthias Mann Max-Planck-Institut für Biochemie, Martinsried mmann@biochemie.mpg.de

34 N E T Z W E R K R E G E N E R A T I O N P R O J E K T E Sebastian Bohl Dr. Ursula Klingmüller Sandra Manthey Andreas Raue Mathematische Modellierung der Interaktion von Transkriptionsfaktoren in der Modulierung des JAK1/STAT3 Signalwegs in primären Hepatozyten Die Vorgänge bei der Hepatozytenregeneration spielen einen wichtige Rolle bei Lebererkrankungen wie Hepatitis und Krebs. Um gezieltere Angriffspunkte für die Therapie zu finden, ist es von großer Bedeutung, die Schaltstellen im Geschehen zu kennen. Ein entscheidender Faktor beim Übergang von der Initiationsphase zur eigentlichen Wachstumsphase ist die Aktivierung der JAK-STAT3- und NF-κB-Signalkaskaden. Durch mathematisches Modellieren dieser Signalwege haben wir ein schalterähnliches Verhalten der STAT3-Aktivierung nach IL-6-Stimulation identifiziert. Eine zeitaufgelöste genomweite Untersuchung des Expressionsprofils legt nahe, dass dieser Feedback-Mechanismus mit einer weitreichenden Reorganisation des Transkriptionsprofils einhergeht. Als Schalter steuert STAT3 daher nach IL-6-Stimulation vernetzte Signalwege in der Zelle. Prof. Jens Timmer 34 W H O I S W H O K o n t a k t Dr. Ursula Klingmüller Deutsches Krebsforschungszentrum, Heidelberg u.klingmueller@dkfz.de

35 35 Dr. Ute Albrecht Dr. Roland Nitschke H E P A T O S Y S Dr. Kilian Batholomé Andreas Raue Dr. Johannes Bode Dr. Hans-Peter Fischer Dr. Thomas Hartsch Modellierung des NF- κb abhängigen Schalters von Apoptose und Regeneration in Hepatozyten Der Transkriptionsfaktor NF-κB spielt in Hepatozyten eine wichtige Rolle in Prozessen, die darüber entscheiden, ob die Zelle sich vermehrt oder in die Apoptose übergeht und abstirbt. Es liegt daher nahe, dass NF-κB bei diesem Vorgang eine zentrale Rolle als Schaltermolekül einnimmt. Unser Projekt zielt darauf ab, die involvierten Signalwege in regenerierenden Hepatozyten zu untersuchen, wobei der Fokus auf NF-κB aktivierenden Zytokinen wie TNF-α und IL-1β liegt. TNF-α ist wichtig für die Initiation und Fortführung der Leberregeneration, während IL-1β als Proliferationsinhibitor die Vermehrung der Hepatozyten stoppt. Dr. Julia Retey Kathrin Schmich Titus Sparna Andreas Kulawik Prof. Jens Timmer Prof. Irmgard Merfort K o n t a k t Prof. Irmgard Merfort Institut für Pharmazeutische Wissenschaften, Universität Freiburg irmgard.merfort@pharmazie.uni-freiburg.de

36 N E T Z W E R K R E G E N E R A T I O N P R O J E K T E Prof. Rolf Gebhardt Dr. Reinhard Guthke Prof. Andreas Hecht Prof. Hans-Peter Herzel Dynamische Modellierung β- Cateninabhängiger Signalprozesse in der Leber Der Wnt/β-Catenin-Signalweg ist an der Steuerung vielfältiger Prozesse bei der Embryonalentwicklung beteiligt und spielt auch bei der Krebsentstehung eine bedeutende Rolle. In der Leber beeinflußt der Wnt/β-Catenin-Signalweg Stoffwechselfunktionen von Hepatozyten, und Zellteilungsprozesse während der Leberregeneration. Zusätzlich trägt β-catenin als Zelladhäsionsmolekül zur Gewebeintegrität bei. Wir haben die für Heptozyten spezifische Architektur des Wnt/β-Catenin-Signalwegs mithilfe zeitaufgelöster quantitativer Daten und mathematischer Modelle beschrieben. So identifizierten wir den modulierenden Einfluss des Zell-Zell-Adhäsionsfaktors und β-catenin-bindungspartners E-Cadherin, sowie des Tumorsuppressors und β-catenin-regulierenden Proteins Adenomatous polyposis coli (APC). Außerdem haben wir Hinweise auf negative Feedbackmechanismen im Signalweg gefunden, die einen Einfluss auf die leberzellspezifischen Reaktionen haben. Wolfgang Schmidt-Heck Prof. Jens Timmer Yvonne Wittel Sandro Lambeck Dr. Sebastian Zellmer 36 W H O I S W H O K o n t a k t Prof. Andreas Hecht Institut für Molekulare Medizin und Zellforschung, Universität Freiburg andreas.hecht@mol-med.uni-freiburg.de

37 H E P A T O S Y S 37 Dr. Maria Matilde Bartolomé Rodriguez Mohamad-Zuheir Halima Insulinvermittelte Signaltransduktion Insulin spielt eine entscheidende Rolle für die Regeneration der Leber: Es induziert Stoffwechselreaktionen sowie proliferative und antiapoptotische Antworten. Im Fokus unseres Projektes stand das experimentelle Gewinnen zeitaufgelöster, quantitativer Daten zu einzelnen Schritten der Signaltransduktion und ihrer Bedeutung im Gesamtgeschehen, insbesondere im Hinsicht der Verständnis der multiple Eigenschaften von Insulin. Diese Daten bilden die Grundlage für die mathematische Modellierung des Insulin-Signaltransdukionsweges in primären Hepatozyten. Markus Nenninger Prof. Jens Timmer Markus Koschorreck Clemens Kreutz Astrid Wäldin K o n t a k t Dr. Maria Matilde Bartolomé Rodriguez Innere Medizin II, Universität Freiburg maria.bartolome@uniklinik-freiburg.de

38 N E T Z W E R K R E G E N E R A T I O N P R O J E K T E Dr. Lorenza D Alessandro Prof. Jan Hengstler Prof. Thomas Höfer Dr. Ursula Klingmüller Bestimmung des Einflusses des HGF vermittelten MAP- Kinaseund PI3-Sigalwegs bei der Hepatozyten- Proliferation Proliferationsprozesse während der Leberregeneration werden durch den Hepatozytenwachstumsfaktor HGF reguliert. Wir haben es uns zur Aufgabe gemacht, den spezifischen Beitrag der durch HGF aktivierten Signalkaskaden PI3 und MAP-Kinase zu entschlüsseln, die beide bei der Proliferation von Hepatozyten eine Rolle spielen. Dazu haben wir die Dynamik der Aktivierung auf Basis von zeitaufgelösten Daten untersucht und modelliert. Wir nehmen außerdem die Vernetzung des HGF-Signalwegs mit der des TGFß-Signalwegs unter die Lupe, der dazu beiträgt, den Regenerationsprozess zu beenden. Dabei zeigte sich, dass beide Faktoren auf genomweiter Ebene die Transkription des jeweils anderen kontrollieren. Dr. Carlos Salazar Bin She Prof. Jens Timmer K o n t a k t Prof. Jan Hengstler IfADo, Universität Dortmund hengstler@ifado.de W H O I S W H O 38

39 39 Sebastian Bohl Dr. Ursula Klingmüller Dr. Thomas Maiwald Umschalten zur Termination der Hepatozyten- Regeneration durch Modulation des dynamischen Verhaltens der SMAD Signalkaskade Der Botenstoff TGFβ spielt eine bedeutende Rolle für die Kontrolle der Leberregeneration, indem er dazu beiträgt, die Vermehrung der Hepatozyten zu stoppen. Um einen Einblick in die Mechanismen des TGFβ-induzierten Signalwegs zu erhalten, haben wir ein datenbasiertes mathematisches Modell erstellt. Mit Hilfe des Modells untersuchen und charakterisieren wir die Rolle der am Signalweg beteiligten Moleküle. So haben wir entdeckt, dass das Protein SnoN als zentraler negativer Kontrollfaktor agiert. Außerdem widmen wir uns den alternativen Signalübertragungswegen, die durch TGFβ aktiviert werden können. Dr. Peter Nickel Prof. Jens Timmer K o n t a k t Dr. Ursula Klingmüller Deutsches Krebsforschungszentrum, Heidelberg u.klingmueller@dkfz.de H E P A T O S Y S Anneke Brümmer Ralf Gauges Prof. Thomas Höfer Quantifizierung raum-zeitlicher Kalziumsignale in Maushepatozyten Hormonsignale rufen in Leberzellen Schwingungen der Kalziumkonzentration hervor, die den Stoffwechsel und das Ablesen von Genen steuern. Die Reaktion der Zelle wird dabei durch die Schwingungsfrequenz bestimmt. Auf der Grundlage experimenteller Daten etwickeln wir ein neues Netzwerkmodell des Kalziumoszillators, um die zugrundeliegenen molekularen Mechanismen zu verstehen, und untersuchen, wie die in den Schwingungen enthaltenen Informationen von der Zelle verarbeitet werden. Prof. Ursula Kummer Dr. Roland Nitschke K o n t a k t Prof. Thomas Höfer Deutsches Krebsforschungszentrum Heidelberg, BIOQUANT-Zentrum t.hoefer@dkfz-heidelberg.de

40 N E T Z W E R K R E G E N E R A T I O N P R O J E K T E Tabea Arnsperger Dr. Kilian Bartholomeé Prof. Alfred Nordheim Analyse und Modellierung des Glucocorticoid Rezeptor (GR) und Serum Response Factor (SRF) induzierten Genregulation und Interaktion der Transkriptionsfaktoren in Hepatozyten Unser Projekt widmet sich den Funktionen der Transkriptionsfaktoren Glucocorticoid Receptor (GR) und Serum Response Factor (SRF) für die hepatozytenspezifische Genregulation, insbesondere bei der Homöostase und der Regeneration der Leber. Außerdem untersuchen wir die Vernetzung der zugrundeliegenden Signalkaskaden. Durch den Einsatz von genetischen Manipulationen im Genom der Maus soll ein besseres Verständnis der molekularen Funktion von GR und SRF erreicht werden. Die Arbeit mit den Transkriptionsfaktoren dient als Modellsystem für die systematische Analyse der Genexpression in Hepatozyten. Stefan Ohrnberger Prof. Günther Schütz Prof. Jens Timmer K o n t a k t Prof. Alfred Nordheim Institut für Zellbiologie, Universität Tübingen alfred.nordheim@uni-tuebingen.de W H O I S W H O 40

41 41 Dr. Robert Pick H E P A T O S Y S Prof. Christoph Borner Prof. Thomas Dandekar Angelika Haber Clemens Kreutz Mathematisches Modellieren von Todes- und Überlebenssignalwegen in der Leber Der TNF-ähnliche FasL beteiligt sich sowohl am Leberzelltod (fulminante Hepatitis) als auch an der Leberregeneration nach Schädigung. Wir analysieren in primären Maushepatozyten die apoptotischen und mitogenen Signalnetzwerke, die durch Binden des Fas-Liganden FasL an seine Rezeptoren induziert werden. Wir entwickeln ein mathematisches Modell, das die biologische Antwort der Zelle Apoptose oder Regeneration auf einen FasL-Stimulus in Abhängigkeit von unterschiedlichen kostimulatorischen Wachstumsfaktoren simuliert. Wir entwickeln außerdem Methoden, mit denen sich die Zellproliferation und Zellteilung auf Einzelzellniveau messen lässt. Karine SaFerreira Prof. Thomas Sauter Prof. Oliver Sawodny Dr. Roland Nitschke Rebekka Schlatter Nicole Philippi Prof. Jens Timmer K o n t a k t Prof. Christoph Borner Institut für Molekulare Medizin und Zellforschung, Universität Freiburg christoph.borner@uniklinik-freiburg.de