Dynamik und Funktion der Stimulus-abhängigen SMAD-vermittelten Signalverarbeitung in proliferierenden und quieszenten Epithelzellen.

• Antragsteller: Professor Dr. Stefan Legewie; Professor Dr. Alexander Loewer
• Fachliche Zuordnung: Zellbiologie ; Allgemeine Genetik und funktionelle Genomforschung ; Bioinformatik und Theoretische Biologie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 468927954

SMAD-vermittelte Signalübertragung reguliert die Embryonalentwicklung und die Homöostase des adulten Gewebes. Veränderte Reaktionen auf Liganden der TGFβ-Familie verursachen schwere menschliche Krankheiten einschließlich Krebs. Um zu verstehen, wie Zellen diese Reize verarbeiten, haben wir kürzlich Lebendzell-Mikroskopie, computergestützte Analyse und mathematische Modellierung kombiniert und die Aktivität des Signalwegs auf Einzelzellebene untersucht. Unsere experimentell-theoretische Studie hat gezeigt, dass die Reaktion auf eine gegebene Dosis TGFβ zellspezifisch durch die Menge definierter Signalproteine bestimmt wird. Dies verdeutlicht, dass die SMAD-Dynamik eine wichtige Determinante für der vielfältigen TGFβ-induzierten Zellschicksale ist. Wir müssen nun verstehen, wie die Dynamik in einzelnen Zellen von der Art des Liganden abhängt, wie sie von zellulären Zuständen beeinflusst wird und wie sie in Genexpressionsänderungen übersetzt wird. Vorläufige Experimente deuteten darauf hin, dass die Ligandsensitivität an den Proliferationszustand angepasst wird: Während TGFβ-induzierte Signalübertragung in proliferierenden Zellen verstärkt und in quieszenten Zellen abgeschwächt wird, ist die Reaktion auf andere Liganden wie zum Beispiel GDF8 oder GDF11 umgekehrt. Genomweite Expressionsanalyse hat gezeigt, dass zellspezifische Dynamiken die Transkriptionsantwort bestimmen. Die molekularen Mechanismen und die Konsequenzen für die physiologische Antwort der Zelle sind jedoch unverstanden. Wir schlagen nun vor, die zustands- und stimulusspezifischen SMAD Dynamiken in einzelnen Zellen zu charakterisieren, Schlüsselprozesse zu identifizieren, die an der Rekonfiguration des Signalnetzwerks in proliferierenden und quieszenten Zellen beteiligt sind, und die Regulation der Genexpression durch stimuluspezifische Dynamiken zu untersuchen. Wir werden zeitvariable Stimulationen, mikroskopiebasierte Messungen sowie pharmakologische Perturbationen verwenden, um die Signalübertragung systematisch zu charakterisieren. Mittels eines modellbasierten Ansatzes wollen wir die Schlüsselprozesse im SMAD-Netzwerk identifizieren, die in proliferierenden und quieszenten Zellen verändert sind, und die resultierenden Modellvorhersagen mit Cas9-vermitteltem Genome Engineering validieren. Schließlich werden wir genomweite Expressionsanalysen mit Messungen in Einzelzellen kombinieren, um mathematische Modelle der Zielgenregulation zu erstellen und zu bestimmen, inwieweit die SMAD-Dynamik ausreicht, um stimulusspezifische Reaktionen vorherzusagen. Zusammengefasst wird unsere Studie beschreiben, wie und warum Zellen die Ligandsensitivität in Abhängigkeit von ihrem Proliferationszustand modulieren und wie dies ihre physiologische Reaktion beeinflusst. Dies könnte Einblicke in das onkogene Potenzial und die tumorunterdrückende Kapazität der Liganden der Familie TGFβ geben und zur Entwicklung neuer therapeutischer Konzepte beitragen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen