DEEP Struktur

Dieses Teilprojekt trägt in dreierlei Hinsicht zu DEEP bei: (1) Bioinformatische Methoden zur high‐level Analyse epigenomischer Daten werden entwickelt. Hierbei liegt der Fokus auf der Analyse von DNA Methylierungsdaten. (2) Entwicklung eines Servers mit high‐level Analysesoftware und Bereitstellung für Projektpartner und die weltweite wissenschaftliche Gemeinschaft per Internet. (3) Zusammenarbeit mit anderen DEEP Teilprojekten bei der höherstufigen Analyse epigenomischer Daten, die im Rahmen von DEEP produziert werden.

Projektleiter
Prof. Dr. Dr. Thomas Lengauer
Max-Planck-Institut für Informatik (MPI-INF)
Bioinformatik und angewandte Algorithmik
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In diesem Teilprojekt soll ein zentraler Datenspeicher für die durch den Verbund erarbeiteten Rohdaten eingerichtet und betrieben werden. Flankierend sind eine kontinuierliche Harmonisierung der gewonnenen Datenstandards entsprechend den IHEC-Regularien sowie Qualitätssicherungsmaßnahmen vorgesehen. Zudem wird ein Browser für die Visualisierung der Ergebnisse der bioinformatischen entwickelt. Der zentrale Datenspeicher wird eng mit dem in TP1-1 entwickelten Applikations-Server (MPI-INF) verknüpft.

Projektleiter
Dr. Benedikt Brors
Deutsches Krebsforschungszentrum
Abt. Theoretische Bioinformatik
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Prof. Dr. Roland Eils
Deutsches Krebsforschungszentrum
Abt. Theoretische Bioinformatik
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Im Rahmen des DEEP Konsortiums wird sich dieses Teilprojekt auf die höherstufige Analyse von Histonmodifikationsdaten konzentrieren. Diese Daten führen zu vielen neuen Herausforderungen, wie z.B. der Abschätzung der technischen und biologischen Varianz oder der Korrelation zwischen verschiedenen Modifikationen. Basierend auf den innerhalb des Projekts generierten Daten und zusammen mit öffentlich zugänglichen Datensätzen sollen diese Probleme untersucht werden. Ziel ist es, neue Algorithmen für den Vergleich von Histonmodifikationsmustern zwischen verschiedenen zellulären Zuständen (gesund – krank) zu entwickeln.

Projektleiter
Prof. Dr. Martin Vingron
Max-Planck-Institut für Molekulare Genetik
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Innerhalb des DEEP Konsortiums ist dieses Teilprojekt für die Annotation der Sequenzdaten kleiner RNAs verantwortlich. Dazu nutzen wir bereits existierende Algorithmen und entwickeln diese kontinuierlich weiter, um die Expression bekannter und neuer nicht-kodierender RNAs (ncRNAs) zu analysieren. Die Targets kleiner RNAs werden zudem bioinformatisch vorhergesagt. Insbesondere werden wir versuchen, Methoden zur Vorhersage von ncRNA-Targets im Kern zu entwickeln. Damit werden auch Daten aus nicht-Standard Klonierungs- und Sequenziermethoden, die in der Chen-Gruppe am MDC entwickelt wurden, analysiert.

Projektleiter
Prof. Dr. Nikolaus Rajewsky
Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin
Berlin Institute for Medical Systems Biology (BIMSB)
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DNA-Methylierungen in Form von 5-Methylcytosin and 5-Hydroymethylcytosin (und weitere Modifikationen) spielen eine Schlüsselrolle bei der Kontrolle der Genexpression und der Stabilität des Genoms in Säugetieren und dem Menschen. Spezifische lokus- und genomweite Änderungen der DNA-Methylierung werden in nahezu allen komplexen menschlichen Erkrankungen beobachtet. Aufgrund ihrer großen Stabilität und der Möglichkeit, sie exakt zu lokalisieren, dienen DNA-Modifikationen als hervorragend geeignete, Krankheits-assoziierte und hochaufgelöste epigenetische Markierungen. Ein Hauptziel von DEEP ist die Erstellung hochaufgelöster DNA-Methylierungskarten und die Identifikation veränderter DNA-Methylierungsmuster als Biomarker für größere klinische Studien. Die Produktion von 70 vollständigen, genomweiten Bisulfit-Methylomen (20-fache Abdeckung) wird von den beiden Next Generation Sequencing Methylom-Sequenziereinheiten an der UDE und der UdS vorgenommen, die beide eng bei der Entwicklung von Protokollen und bei der Standardisierung der Datenproduktion zusammenarbeiten. Unterstützt durch QIAGEN werden die Einheiten neue Strategien für Multiplex-Library-Assays und die automatische Validierung von Markern mittels 454-basierter Bisulfit Amplicon Tiefensequenzierung. Bei den Validierungs-Studien werden Prof. Horsthemke (UDE) und Prof. Walter (UdS) Allel-spezifische Effekte und die Heterogenität epigenetischer Krankheits-Signaturen untersuchen. Die Sequenziereinheit der UdS steuert Expertise für die hyMeDIP-Seq bei, um 5-Hydroxmethylcytosin in ausgewählten Zelltypen nachzuweisen.

Die zweite Hauptaufgabe des Teilprojekts ist die Generierung hochaufgelöster Chromatin-Zugänglichkeitskarten für 70 primäre Zelltypen. Die Zugänglichkeit von Chromatin ist ein wesentlicher Parameter bei der Epigenom-Kartierung. Die DNaseI-Seq wird ausschließlich an der dafür ausgerüsteten UdS durchgeführt und eine DNaseI Pipeline wird an einer der Sequenziereinheiten der UdS eingerichtet. Dazu wird die UdS Training und Unterstützung von BLUEPRINT durch das Labor von H. Stunnenberg erhalten. Die DNaseI-Sequenziereinheit wird dem detaillierten und IHEC-konformen ENCODE Protokoll folgen (J. Stams Labor UWash). Die UdS wird den Prozess in Zelllinien (IMR90) und zwei primären Zelltypen, humanen CD4+-Lymphozyten und murinen Leberzellen, ab April 2013 etablieren. Gegen Ende des Jahres 2013 sollte die Gruppe damit in der Lage sein, Zellmaterial aus DEEP zu erhalten und die Kartierung zu beginnen. Qualitätsgeprüfte DNaseI-Bibliotheken werden im Anschluss an eine Barcode QC Sequenzierung mit einer Abdeckung von 20M reads/Bibliothek sequenziert. Alle Daten werden stets aus biologischen und technischen Duplikaten erzeugt. Die bioinformatische Kartierung und Evaluation der DNaseI-Seq Daten wird schließlich in enger Zusammenarbeit mit dem Max-Planck-Institut für Informatik durchgeführt. Die erzeugten BAM-Files werden an das DSZ übermittelt und von dort für die Peak-Detektion und Interpretation, z.B. in Verbindung mit DNA-Methylierung, abgefragt. Dies geschieht in Kollaboration mit dem MPI-INF, an dem es großes Fachwissen in Bezug auf die DNA Feature-Extraktion gibt, sowie dem MPI-MG in Berlin (Prof. Vingron), der Expertise in DNaseI-Kartierung, Chromatin und Transkriptionsfaktor-Bindestellen-Kartierung beisteuert.

Projektleiter
Sequenziereinheit Essen
Prof. Dr. Bernhard Horsthemke
Universität Duisburg-Essen
Institut für Humangenetik
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Sequenziereinheit Saarbrücken
Prof. Dr. Jörn Walter
Universität des Saarlandes
Fachrichtung 8.3 Biowissenschaften – Genetik/Epigenetik
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Assoziierter Industriepartner
Dr. Peter Hahn
QIAGEN GmbH
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Histonmodifikationen spielen eine wichtige Rolle in der Etablierung und Aufrechterhaltung zellulärer Identität, der Entwicklung sowie der Ätiologie von Krankheiten. Kombinationen verschiedener Histonmodifikationen können die Chromatinstruktur verändern und somit die Genexpression als Antwort auf Umwelt- und interne Signale beeinflussen. Bedeutende Fortschritte in der Sequenziertechnologie und bei bioinformatischen Algorithmen ermöglichen nun einen umfassenden Ansatz zur ihrer Kartierung in mehreren Zelltypen. Im Rahmen des DEEP Konsortiums werden wir in diesem Teilprojekt unsere Expertise auf den Gebieten der Chromatin-Forschung, Tiefensequenzier-Technologie und der genomweiten Datenanalyse beisteuern, um genomweite Histonmodifikationskarten verschiedener Säugerzelltypen zu erstellen.

Wir werden 70 Referenz-Epigenome von Säugerzellen erstellen, die exemplarisch für die zwei Säulen des Konsortiums stehen: Stoffwechselstörungen (Adipozyten, Monozyten/Makrophagen, Hepatozyten) und chronische Entzündungen (CD4+, Epithelzellen, Fibroblasten, inflammatorische Makrophagen). Die erzeugten Daten bilden eine unschätzbare Quelle für vergleichende Studien über Gewebe, Behandlungen und Organismen, und werden die Identifikation epigenetischer Marker möglich machen. In Kombination mit den DNA-Methylom- und den ncRNA-Daten erlauben die Histonmodifikationsdaten eine umfangreiche Charakterisierung der epigentischen Variabilität in bislang unerreichter Auflösung, die es letztendlich ermöglicht mechanistische Modelle der epigenetischen Kontrolle zu entwickeln anhand derer sich mögliche Therapien ableiten lassen könnten.

Projektleiter
Dr. Ho-Ryun Chung
Max-Planck-Institut für Molekulare Genetik
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Dr. Thomas Manke
Max-Planck-Institut für Immunbiologie und Epigenetik
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Prof. Dr. Thomas Jenuwein
Max-Planck-Institut für Immunbiologie und Epigenetik
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Die Zusammensetzung und die Dynamik des Transkriptoms stellen ein Schlüsselelement des Epigenoms dar, da es sowohl verschiedene epigenetische Effektormechanismen (z.B. miRNA) umfasst als auch gleichzeitig selbst von epigenetischen Veränderungen beeinflusst wird (z.B. auf Ebene der Menge der Transkripte oder ihrem von Methylierungen oder Histonmodifikationen abhängigen Spleißen). Daher ist die Erstellung umfassender RNA Expressionsprofile, die Informationen über Expressionslevel, kurze und lange ncRNAs, alternatives Spleißen, Allel-spezifische Expressionsmuster und mRNA Aditierung enthalten, essentiell für unser Verständnis der molekularen Basis eines Referenz-Epigenoms. Dieses Teilproject soll das gesamte DEEP Konsortium bei der Transkriptom-Analyse unterstützen. Dazu werden kleine RNAs und die poly A-Fraktion der 70 Referenz-Epigenome untersucht.

Projektleiter
Dr. Sascha Sauer
Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin
The Berlin Institute for Medical Systems Biology (BIMSB)
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Prof. Dr.Philip Rosenstiel
Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Institut für Klinische Molekularbiologie (ICMB)
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Hauptziel dieses Teilprojekts ist es, durch adäquate Steuerungsmechanismen und Unterstützungsmaßnahmen i) die Einhaltung des Arbeitsplans und das fristgerechte Erreichen aller (Teil-)Projektziele sicherzustellen, ii) eine kontinuierliche und effektive Qualitätskontrolle zu gewährleisten, iii) Projektaktivitäten und -ergebnisse optimal in den internationalen IHEC Rahmen zu integrieren und iv) die Verbreitung von Projektergebnissen zu fördern.

Für letztgenannte Aufgaben wird der Koordinator, Prof. Jörn Walter, als wissenschaftlicher Leiter der DEEP Initiative und Hauptkontaktperson des BMBF/DLR durch den professionellen Managementpartner EURICE, einem Spin-off der Universität des Saarlandes, unterstützt. Gemeinsam wird dieses Management-Team alle Aktivitäten des Konsortiums koordinieren und die fristgerechte Implementierung des DEEP Arbeitsplans gewährleisten. Zu den Managementaufgaben gehören sowohl projektinterne Aufgaben, wie z-B.

• Projektorganisation & Kommunikation
• Wissenschaftsmanagement & Controlling
• Arbeitsplan- und Qualitätskontrolle
• Unterstützung beim Berichtswesen

als auch extern ausgerichteten Aufgaben, wie

• Verbreitungsmaßnahmen (auf nationaler und internationaler Ebene)
• Kooperation mit anderen thematisch relevanten Initiativen
• Integration in IHEC

Projektleiter
Prof. Dr. Jörn Walter
Universität des Saarlandes
Fachrichtung 8.3 Biowissenschaften – Genetik/Epigenetik
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Dr. Vera Schneider
European Research and Project Office GmbH
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Zur organisatorischen Verbundkoordination gehören drei zentrale Bestandteile:

• Controlling
• Training
• Verwertung

welche gemeinsam die Stabilität und Integrität des Netzwerks sicherstellen, es mit der wissenschaftlichen Gemeinschaft vernetzen und die Integration neuer Entwicklungen durch assoziierte Projekte ermöglichen, eine nationale Trainings- und Mentoring-Infrastuktur für epigenomische Forschung bereitstellen und das Management und die Verwertung geistigen Eigentums proaktiv unterstützen.

Das Controlling umfasst die aktive Unterstützung des Koordinators und des gesamten DEEP Konsortiums bei allen organisatorischen und administrativen Aufgaben. Dies beinhaltet die Überwachung des Projektverlaufs, die Erfassung von Abweichungen vom Zeit-und Budgetplan sowie die Interaktion mit dem Projektträger (BMBF)

DEEP wird zweimal jährlich Trainings-Kurse zur bioinformatischen Daten-Interpretation anbieten. Diese stehen sowohl Konsortiumsmitgliedern als auch externen Teilnehmern offen und sollen die Qualität der Datenauswertung sichern, die Interaktionen zwischen den beteiligten Laboren harmonisieren und einen dringend benötigten Ausbildungsplan für epigenomische Forschung in Deutschland schaffen.

Die Unterstützung der Verwertung geistigen Eigentums in DEEP umfasst die Verhandlung des Konsortialvertrages, die Ermittlung der Verwertungsinteressen der einzelnen Teilnehmer, die Identifikation von Verwertungsmöglichkeiten innerhalb der durch DEEP und IHEC vorgegebenen Rahmenvereinbarungen, die Ausarbeitung einer umfassenden und einheitlichen DEEP Verwertungsstrategie sowie eine kontinuierliche Unterstützung für alle Eigentumsrechte und Verwertung betreffenden Belange.

Projektleiter
Prof. Dr. Jörn Walter
Universität des Saarlandes
Fachrichtung 8.3 Biowissenschaften – Genetik/Epigenetik
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Dr. Vera Schneider
European Research and Project Office GmbH
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Als wichtiger Partner im International Human Epigenome Consortium (IHEC) hat auch DEEP ein hohes Interesse an einer effektiven und einheitlichen Kommunikation der Ziele und Aktivitäten dieses internationalen Konsortiums. Vor diesem Hintergrund soll eine zentrale DEEP Kommunikationseinheit für Europa als Teil eines internationalen Kommunikationsteams für IHEC geschaffen werden. Hauptaufgabe dieser Kommunikationseinheit ist es, in Anlehnung an das Strategiepapier an der Planung und Umsetzung einer internationalen IHEC-Kommunikationsstrategie mitzuwirken, um damit das öffentliche Bewusstsein für die Ergebnisse und die Bedeutung epigenomischer Forschung im Allgemeinen und IHEC im Besonderen zu vergrößern. Diese Aufgaben werden von einer internationalen IHEC Kommunikationsgruppe, in welcher die DEEP Kommunikationseinheit als europäischer Vertreter fungiert, in enger Absprache mit dem IHEC Steering Committee umgesetzt.

Der Verbundkoordinator, Prof. Dr. Jörn Walter, wird in enger Abstimmung mit EURICE eine globale Kommunikationsstruktur planen und die Durchführung leiten. Als Mitglied des IHEC Scientific Steering Committee wird Prof. Walter direkt in IHEC Planungen involviert sein. EURICE verfügt über langjährige Erfahrung in der Entwicklung und Umsetzung von Kommunikationskonzepten für EU-geförderte und andere internationale Projekte. Als Management-Team dieses Teilprojekts sind Prof. Walter und EURICE für die einheitliche Umsetzung und Koordinierung unterschiedlicher IHEC Kommunikationsaktivitäten auf europäischer Ebene verantwortlich.

Projektleiter
Prof. Dr. Jörn Walter
Universität des Saarlandes
Fachrichtung 8.3 Biowissenschaften – Genetik/Epigenetik
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Dr. Vera Schneider
European Research and Project Office GmbH
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In diesem Teilprojekt soll eine genomweite Charakterisierung epigenetischer Veränderungen steatotischer Lebern durchgeführt, ihre Relevanz für nicht-alkoholische Fettlebererkrankungen analysiert und der Einfluss von Zytokinen, die von Gewebsmakrophagen sezerniert werden, auf epigenetische Veränderungen und den Krankheitsfortschritt definiert werden. Um dieses Ziel zu erreichen, sind mehrere experimentelle Strategien erforderlich: (i) Isolierung menschlicher Hepatozyten aus Lebergewebe von gesunden und NAFLD Patienten, sowie Lieferung an die Projektpartner (ii) Induktion von Steatose in vitro an kultivierten Hepatozyten und Vergleich der epigenetischen Veränderungen in vitro mit der in vivo Situation. Sollten ähnliche Veränderungen auftreten, soll das in vitro System für die weiteren Studien verwendet werden. (iii) Sollten epigenetische Veränderungen mit Auswirkungen auf die Genexpression beobachtet werden, soll ihre funktionelle Relevanz untersucht werden. Dies schließt siRNA Knockdown und die Überexpression von Kandidatengenen in primären humanen Hepatozyten ein. Im Anschluss werden die möglichen Auswirkungen auf einen steatotischen Phänotyp, inklusive einer umfassenden Untersuchung der Lipidexpressionsspektren, analysiert. (iv) Isolierung von Hepatozyten aus einem Fettleber-Mausmodell (P62 Maus) nach einem kürzlich etablierten Standardprotokoll (Godoy et al., 2009) und Untersuchung auf epigenetische Veränderungen, welche den Mechanismen humaner NAFLD entsprechen. Zusätzlich soll mittels neu entwickelter Imaging Techniken (Hoehme et al., 2010) der Grad der Steatose quantifiziert werden. (v) Kokultivierung von Hepatozyten mit Leber-Makrophagen (Kupffer-Zellen), um den Einfluss der sezernierten Zytokine auf Entzündungen und Pathognese der Steatose sowie krankheitsrelevante epigenetischen Veränderungen zu untersuchen. Die Verwertung der erzielten Ergebnisse soll die Entwicklung neuer Strategien zur Therapie der nicht-alkoholischen Fettleber sowie zur Verhinderung des Fortschreitens der NAFLD in Steatohepatitis ermöglichen.

Projektleiter
Prof. Dr. med. Jan G. Hengstler
Leibniz-Institut für Arbeitsforschung an der TU Dortmund (IfADo)
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Fettleber ist ein Risikofaktor für die Ausbildung von Leberzellkarzinomen, welche die dritthäufigste Ursache krebsbedingter Todesfälle weltweit sind. Die Entwicklung von einer gutartigen Steatose zu Steatohepatitis repräsentiert dabei den kritischen Schritt. In diesem Teilprojekt werden wir transgene p62 Mäuse als Tiermodell für die nicht-inflammatorische Steatose verwenden, und umfangreiche epigenetische Analysen steatotischer Mäuse mit gesunden Wildtyp-Mäusen durchführen. Zur Induktion einer inflammatorischen Steatohepatitis werden p62 Tiere mit LPS aktiviert, um eine progressive Leberschädigung zu induzieren. Epigenetische und Genexpressions-Analysen der verschiedenen Modellen werden mit pathophysiologischen Eigenschaften korreliert. Der Einfluss von Kupffer-Zellen, den Makrophagen der Leber, auf die Progression von einer Fettleber zur Leberentzündung wird durch ihre Depletion und die anschließende Charakterisierung der Unterschiede im epigenetischen Programm und den pathophysiologischen Merkmalen untersucht. Letztere werden auf Grundlage von Stoffwechselveränderungen, inflammatorischer Aktivierung und Tumor-auslösenden Veränderungen bewertet. Letztlich soll der Zusammenhang zwischen epigenetischen Programmen und Entzündungs- bzw. Tumor-fördernden Signalwegen ermittelt werden.

Projektleiter
Prof. Dr. Alexandra K. Kiemer
Universität des Saarlandes
Institut für Pharmazeutische Biologie
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In dem Projekt werden die epigenetischen Unterschiede zwischen kleinen und großen Adipozyten, zwischen viszeralen und subkutanen Adipozyten, zwischen Monozyten und Fettgewebsmakrophagen (ATMs), und zwischen diesen Zellen in gesunden und fettleibigen Individuen funktionell bestimmt. Des Weiteren hat die Gruppe des Instituts für Klinische Chemie und Transfusionsmedizin der Universität Regensburg im Zuge des LipidomicNet-Projekts bereits miRNA Muster im Plasma humaner Diabesity Proben identifiziert, und plant die Validierung von 40 miRNAs in einer Kohorte von Diabesity-Patienten mit Adipositas, Insulinresistenz, Typ-2 Diabetes und metabolischem Syndrom. Wir werden ebenfalls den Effekt mutmaßlicher Induktoren der Entstehung von braunem Fettgewebe auf die epigenetischen Profile geeigneter Vorläuferzellen untersuchen. Wir erwarten, dass diese Studien zum Verständnis der Grundlagen von Adipozytenhyperplasie und -hypertrophie sowie der ATM-Bildung bei Diabesity, der verschiedenen Rollen von viszeralem und subkutanem Fett bei der Erkrankung und der Rolle von Entzündungen beisteuern, und zur Entwicklung epigenetischer Biomarker und Medikamente beitragen.

Projektleiter
Prof. Bernhard Horsthemke
Universität Duisburg-Essen
Institut für Humangenetik
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Prof. Gerd Schmitz
Universität Regensburg
Medizinische Fakultät
Institut für Klinische Chemie und Transfusionsmedizin
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Assoziierter Industriepartner
Dr. Günter Müller
Sanofi-Aventis Deutschland GmbH, R&D Diabetes
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Ziel des DEEP Netzwerks ist die Charakterisierung epigenetischer Veränderungen bei Stoffwechsel- und entzündlichen Erkrankungen, mit einem Fokus auf inflammatorische Zellen, Hepatozyten und Adipozyten. Es wird erwartet, das Adipositas, die häufigste der genannten Erkrankungen, bis 20130 etwa 1,2 Milliarden Menschen betreffen wird. Man nimmt an, dass die aktuell steigenden Zahlen bei Adipositas in erster Linie auf eine epigenetische Reprogrammierung während der frühen Entwicklung zurückzuführen sind. Bislang ist nur wenig über die Plastizität unserer Epigenome in Abhängigkeit vom Tagesrhythmus oder über die Grenzen epigenetischer Kontrolle bekannt. Ziel dieses Teilprojekts ist eine umfassende Untersuchung zirkadianer epigenetischer Variantionen von Mausadipozyten und die Kartierung ihrer Abhängigkeit von Ernährung und Adipositas. Gleichzeitig sollen mit Hilfe eines Mausmodells stochastischer Fettleibigkeit die Grenzen der Heterochromatin-Kontrolle in vivo untersucht werden. Der erhaltene umfangreiche Datensatz wird einen Meilenstein für das umfassende epigenetische Profiling von Säugetier-Erkrankungen darstellen und wichtige Referenzen für die zirkadiane, Ernährungs- und Adipositas-abhängige Plastizität liefern, womit erste Einblicke in die Limitierung der Integrität des Epigenoms ermöglicht werden.

Projektleiter
Dr. J. Andrew Pospisilik
Max-Planck-Institut für Immunbiologie und Epigenetik
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Dieses Projekt untersucht das Epigenom von Effektor/Memory-T-Zellen aus chronisch entzündeten Geweben. Epigenetische Signaturen, vor allem DNA-Methylierungsmuster, weisen vermutlich auf Differenzierungswege hin, die in pathologischen und irreversiblen Stadien chronisch aktivierter Zellen resultieren, welche sich von normalen, protektiven Memory-Zellen durch ihre verringerte Suszeptibilität gegenüber internen Kontrollmechanismen oder aktuellen Therapien unterscheiden. Die hier gewonnenen Daten werden das Verständnis pathophysiologischer Mechanismen, die Identifikation von zentralen Schaltern der transkriptionellen Regulation und die Entwicklung von diagnostischen Verfahren und therapeutischen Strategien für die Re-Programmierung ermöglichen.

Projektleiter
Prof. Dr. Alf Hamann
Deutsches Rheuma-Forschungszentrum Berlin (DRFZ) und
Medizinische Klinik mit Schwerpunkt Rheumatologie und Klinische Immunologie
Charité – Universitätsmedizin Berlin
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Die genetische Risk-Map chronisch-entzündlicher Darmerkrankungen (CED), mit ihren beiden Vertretern Morbus Crohn und Colitis ulcerosa, hat - zusätzlich zur chronischen Überaktivierung von Immunzellen - eine entscheidende Rolle des Darmepithels aufgezeigt. Die Epithelschicht durchläuft dabei eine selektive und lang andauernde Umstrukturierung und es kann daraufhin zu Dysplasien und maligner Transformation kommen. Es konnte gezeigt werden, dass Darmepithelzellen während des Verlaufs einer CED die Fähigkeit zur Einleitung einer inflammatorischen Immunantwort gegen die eigene Darmflora wiedererlangen; andererseits können CED-assoziierte genetische Varianten (NOD2, ATG16L1) die Zellen inaktiv gegen zytoinvasive Bakterien machen, was in sekundären Defekten protektiver und regenerativer Programme in CED resultiert und zu einer sekundären Überaktivierung des darunterliegenden Schleimhaut-assoziierten lymphatischen Systems führt. Interessanterweise gibt es einen Zusammenhang zwischen CED und der Lebensweise westlicher Industrienationen. Es scheint wahrscheinlich, dass die steigende Inzidenz durch Umweltfaktoren (z.B. Hygiene, Ernährung, Antibiotika) hervorgerufen wird, die letztlich in einem Krankheits-Phänotyp auf dem Hintergrund einer stabilen genetischen Population resultieren.

Wir werden Referenz-Epigenome von aufgereinigten Darmepithelzellen aus Morbus Crohn-Patienten und gesunden Individuen definieren und in der Folge die funktionellen Konsequenzen der aus den Epigenom-Analysen erhaltenen epigenetischen Signaturen in funktionellen Modellen untersuchen. Referenz-Epigenome der Darmschleimhaut von zwei eineiigen Zwillingspaaren, von denen jeweils ein Zwilling an Morbus Crohn leidet, der andere jedoch nicht, dienen als unabhängige Startpunkte, um epigenetische Veränderungen in genetisch identischen, aber phänotypisch unterschiedlichen Genomen zu verstehen. Entsprechend der aufgestellten Hypothesen werden wir Veränderungen von Darmepithelzell- und Schleimhaut-Epigenomen während der Entwicklung und Erkrankung untersuchen und Therapien zur Modifikation des Epigenoms in definierten CED Mausmodellen einsetzen. Wir vermuten, dass epigenetische Prägungen in Darmepithelzellen eine fehlende Verbindung zwischen der genetischen Risk-Map und der individuellen Ausprägung der Erkrankung darstellen und zu neuen Biomarkern und therapeutischen Zielstrukturen für CED führen könnten.

Projektleiter
Prof. Dr. Stefan Schreiber
Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Klinik für Allgemeine Innere Medizin
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Bei den meisten immunvermittelten entzündlichen Erkrankungen stellt die Dauer der Entzündung und die daraus folgende irreversible Schädigung des Gewebes, nicht die Entzündung selbst, das Hauptproblem dar. Rheumatoide Arthritis (RA), eine chronische autoimmune Arthritis, die zur fortschreitenden Zerstörung der betroffenen Gelenke führt, ist ein prominentes Beispiel dieses Konzepts. Es wurde gezeigt, dass synoviale Fibroblasten (FLS) maßgeblich zur Pathogenese der RA beitragen. Diese Zellen sind wichtige Bestandteile des lokalen Immunsystems in den Gelenken und integrieren verschiedene Signale in eine pathologische Immunantwort des Gewebes. Während sie bei einer RA auf verschiedene Stimuli im entzündeten Gelenk reagieren, machen die FLS grundlegende Veränderungen durch und es kommt zu einer stabilen Aktivierung dieser Zellen, die auch dann aufrechterhalten wird, wenn die kontinuierliche Stimulierung durch den Entzündungsprozess sistiert. Als eine Konsequenz aus dieser stabilen Aktivierung kann die Erkrankung voranschreiten, auch wenn sich die Entzündung bessert bzw. erfolgreich behandelt wird. Die zugrundeliegenden Mechanismen sind nicht vollständig aufgeklärt; Jüngste Daten belegen jedoch, dass neben der chronischen Exposition gegenüber Zytokinen, Wachstumsfaktoren und der extrazellulären Matrix auch epigenetische Modifikationen signifikant dazu beitragen, dass es zur Fixierung dieses aggressiven Phänotyps kommt. Diese Modifikationen beinhalten eine Reihe verschiedener Mechanismen und resultieren in einer dauerhaften Veränderung des Verhaltens der FLS in vitro und in vivo. Während in den vergangenen Jahren eine Reihe einzelner epigenetischer Veränderungen in FLS beschrieben wurden, fehlt eine umfassende Charakterisierung ihres Epigenoms. Im vorliegenden Projekt wollen wir dazu das Epigenom aggressiv-invasiver FLS von RA-Patienten mit dem normaler synovialer Fibroblasten, solchen aus degenerativen Gelenkerkrankungen (Osteoarthrose) und mit dem Epigenom von FLS vergleichen, die mit bekannten Triggern der stabilen Aktivierung bei RA stimuliert wurden. Weiter sind funktionelle Studien geplant, in denen die identifizierten epigenetischen Signalwege in vitro und in Tiermodellen der chronisch destruktiven Arthritis auf ihre Relevanz und ihr therapeutisches Potential hin untersucht werden. Das Projekt wird zudem eng in das DEEP-Konsortium integriert werden, indem unsere Daten mit denen aus anderen Teilprojekten verglichen werden und sich die Untersuchungen zudem auf die Interaktion zwischen FLS und T-Zellen fokussieren.

Projektleiter
Prof. Dr. Thomas Pap
Westfälische Wilhelms-Universität Münster
Institut für Experimentelle Muskuloskelettale Medizin
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