SFB 1118 - Zusammenfassung des Forschungsprogramms

Diabetes Typ 1 und Diabetes Typ 2 werden über Blutzuckerwerte definiert und diagnostiziert. Bei beiden Erkrankungen trifft zu, dass der Blutzuckerwert präzise das Koma vorhersagt und seine Therapie zu 100% das Koma verhindert. Jedoch bei allen anderen Folgeschäden des Typ 1 und Typ 2 Diabetes sieht dies ganz anders aus, denn bei Typ 1 Diabetes erklären Diabetes Dauer plus HbA1c nur 11% der Spätkomplikationen (DCCT-Studie), beim Typ 2 Diabetes ist die Situation noch komplexer. Die UKPDS-Studie zeigte, dass die absolute Risikoreduktion der Nephropathie durch gute Blutzuckereinstellung nur 0,04% beträgt. Zudem zeigen mehrere Studien, dass HbA1c und Glucose nur sehr schlechte Prädiktoren von Spätschäden sind und dass eine aggressive Senkung des Blutzuckers sogar schädigen kann. Daher stellt sich dieser SFB als einziges Konsortium weltweit die Aufgabe, konsequent von der Funktionsstörung der Zelle und des Organschadens den Diabetes zu denken. Im Rahmen des Energiestoffwechsels entstehen intrazellulär reaktive Metaboliten insbesondere, reaktive Sauerstoffspezies und Dicarbonyle. Der SFB besteht aus drei Säulen, die eine untersucht, wie es zur vermehrten Bildung und Akkumulation von reaktiven Metaboliten kommt, die zweite, wie diese DNA und Proteine verändern, so dass Zellen in ihrer Funktion gestört werden, und die dritte Säule untersucht die enzymatisch kontrollierten Reaktionen, die die Bildung und Akkumulation der reaktiven Metabolite in Schach halten. Es ist unser Ziel, Remission bestehender diabetischer Spätschäden zu erzielen. In der ersten Förderperiode wurden etliche relevante Paradigmenwechsel von Konsortiumsmitgliedern erarbeitet:

     a) Biochemische und zellphysiologische Paradigmenwechsel

    1. Es konnte im Zebrafisch (3), Drosophila (2), C. elegans (1) und Maus (4) gezeigt werden, dass die Glyoxalase nur eines von mehreren Enzymen ist, das Dicarbonyle detoxifizieren kann. Dies wurde in einer klinischen Studie untersucht und gezeigt, dass Patienten die alternative Detoxifizierungsmechanismen aktivieren können, keine Spätschäden haben.

    2. Es konnte gezeigt werden, dass in Drosophila Verlust der Glyoxalase auf unterschiedlichen Signaltransduktionswegen Insulinresistenz, Hyperglykämie und Fettstoffwechselstörung verursacht.

    3. Es konnte erklärt werden, warum Hyperglykämie nicht unbedingt zur intrazellulären Veränderungen des Energiestoffwechsels führt, da vermehrte Glucoseaufnahme in die Zelle durch die Saturierung der Hexokinase bei 100 mg/dl nicht zu einem vermehrten Glucoseflux führt.

    4. Es wurde eine Diabetes-induzierte Änderung des Eisenstoffwechsels gefunden, die zu vermehrterBildung von reaktiven Sauerstoffspezies führt, und auch dazu führt, dass die Sumoylierung neuronal wichtiger Proteine gestört ist.

    5. Es wurde die schützende Rolle der Angiotensin-2-Rezeptoren in den Mitochondrien entdeckt.

    6. Die Bedeutung der gestörten DNA-Reparatur für die Entstehung diabetischer Spätschäden konnte bei Patienten mit Typ 1 und Typ 2 Diabetes nachgewiesen werden und im Tiermodell gezeigt werden: Diabetische Spätschäden können in Remission gebracht werden, wenn die DNA-Reparatur rekonstituiert wird.

         b) Klinischer Paradigmenwechsel

    1. Morphologisch (NMR) treten Läsionen bei diabetischer Neuropathie proximal (nicht distal) auf.

    2. Die diabetische Pneumopathie tritt bei über 24% der Patienten mit diabetischen Spätschäden auf. Die Kausalität des Diabetes für die Lungenfibrose wurde in Tiermodellen nachgewiesen.

    3. Die Bedeutung der neurovaskulären Achse für die diabetische Retinopathie wurde erkannt.

    4. Es konnte in Drosophila und bei Patienten mit Typ 2 Diabetes gezeigt werden, dass C:18 Fette die mitochondriale Funktion regulieren und dass das Dicarbonyl Methyglyoxal in niedriger Dosierung im Sinne einer Hormesis-Reaktion schützende Funktionen hat.

    5. Es konnte gezeigt werden, dass reaktive Metabolite in der Leber über transkriptionelle Komplexe Signale von der Leber an entfernt gelegene andere Zielorgane weiterleiten, so dass eine Funktionsstörung der Leber aktiv bei der Entstehung diabetischer Folgeschäden eine Rolle spielt.

     

    A01 Herzig

    Verknüpfung von DNA-Schadensantwort und Insulinwirkung durch post-translationale Modifikation von TSC22D4 bei diabetischen Spätschäden
    In der ersten Förderperiode konnten wir die ROS-abhängige Modifikation hepatischer Transkriptionskomplexe als generelles Prinzip der Entwicklung diabetischer Endorganschädigung über post-translationale Proteinmodifikation etablieren. Basierend auf neuen Vorarbeiten ist es das Ziel der nächsten Förderperiode, die Bedeutung der ROS-gesteuerten Modifikation des Transkriptionsfaktors TSC22D4 für die Ausprägung einer zellulären Stress-/DNA-Schadensantwort und die Therapie und/oder Remission diabetischer Leberfibrose zu verstehen.

    A03 Teleman

    Regulierung von Glo1 Aktivität durch posttranslationale Modifikation und Auswirkung auf Zellstoffwechsel
    In der ersten Förderperiode zeigten wir, dass ein erhöhter Spiegel des toxischen Metaboliten Methylglyoxal (MG) zu Fettleibigkeit, Insulin-Resistenz und Hyperglykämie in einem Drosophila Tiermodell führt. Erhöhte MG Spiegel können von beeinträchtigter Aktivität des entgiftenden Enzym Glyoxalase 1 (Glo1) entstehen. Wir beantragen in der zweiten Förderperiode zu untersuchen wie Glo1 Aktivität in Menschen auf posttranslationaler Ebene reguliert wird.

    B01 Kroll

    Charakterisierung von Enzymsystemen im Zebrafisch, die reaktive Metabolite detoxifizieren, und deren Einfluss auf die Entstehung von Organveränderungen unter diabetischen Bedingungen
    Das Ziel des Projekts ist die Analyse der Veränderungen bei einer dauerhaften Erhöhung von reaktiven Metaboliten auf Blutgefäße, sowie auf die Retina, Niere und Leber, unter besonderer Berücksichtigung von Typ-2 Diabetesmodellen im Zebrafisch. Dazu werden Zebrafischmutanten für die Enzyme Glo1, Glo2, Akr1b1, Akr1a1a, Akr1a1b und CNDP1 charakterisiert, die unter physiologischen Bedingungen reaktive Metabolite detoxifizieren oder modifizieren können. Wir erwarten aus diesen Untersuchungen wichtige Erkenntnisse, wie diese Enzymsysteme zur Entstehung oder Protektion von diabetischen Organschäden beitragen.

    B03 Backs

    Epigenetische Regulation adaptiver und maladaptiver Effekte durch O-GlcNAc-Modifikationen im diabetischen Herzen
    In der ersten Förderperiode konnten wir zeigen, dass die durch CaMKII regulierte Histondeacetylase 4 (HDAC4) über den Hexosamin Biosynthese Pathway induzierte Protein O-GlcNAcylierungen die kardiale Kontraktilität kontrolliert. Basierend auf neuen Vorarbeiten ist es das Ziel der nächsten Förderperiode die Bedeutung der O-GlcNAc-gesteuerten Modifikation von HDAC4 für die Ausprägung der Herzschwäche bei einer diabetischen Stoffwechsellage zu untersuchen und dadurch die adaptiven und maladaptiven Auswirkungen von Protein O-GlcNAcylierungen im Herzen zu verstehen.

    B06 Kuner/Agarwal

    Funktionelle Rollen und Mechanismen ROS-abhängiger Sumoylation in diabetischer Neuropathie
    Posttranslationale kovalente Modifikationen mittels Sumoylierung stellen einen wichtigen regulatorischen Mechanismus bei der Pathophysiologie von Krankheiten dar. In der ersten Förderperiode beobachteten wir eine wichtige funktionelle Rolle der ROS-abhängigen Sumoylierung bei der Entwicklung und Behandlung der diabetischen Neuropathie, einer häufig auftretenden und schweren Spätkomplikation bei Diabetes. Unser Ziel ist es jetzt, neue Sumoylierungstargets in sensorischen Neuronen und Schwann-Zellen in Modellen von Typ 2 Diabetes zu identifizieren und ihre Funktionen bei der Regulierung metabolischer Dysfunktion im Rahmen axonaler und Schwann-Zell-Interaktionen bei der diabetischen Neuropathie zu erforschen.

    C03 Hammes

    Glukose und reaktive Metabolite in der diabetischen Retina – Ansätze zur Prävention der Vasoregression
    Reaktive Metabolite initiieren ein Schädigungsbild, das der diabetischen Retinopathie vergleichbar ist. Alle Zellen der neurovaskulären Einheit (NVE) der Retina sind daran beteiligt. Während aktivierte Microglia zur Gefäßschädigung beiträgt, scheint aktivierte Glia über Regulation von kleinen Hitzeschockmolekülen protektiv zu sein. Daraus ergibt sich ein Paradigmenwechsel: diabetische Retinopathie ist keine Mikroangiopathie, sondern eine Schädigung der neurovaskulären Einheit. Im Sinne der Personalisierung und klinischer Translation schlagen wir vor, Mechanismen der Detoxifikation und der Präkonditionierung sowie hormonelle Einflüsse auf reaktiven Carbonylstress zu untersuchen.

    C05 Peters/Schmitt

    Die Bedeutung des Carnosinstoffwechsels beim Schutz vor diabetischen Spätschäden durch reaktive Metabolite
    In der zweiten Förderperiode wird die Bedeutung des umfassend charakterisierten diabetischen Carnosinstoff-wechsels in nun etablierten Tiermodellen geschlechtsspezifisch untersucht; in der renalen CNDP1-KO Maus, die stark erhöhte renale Carnosin-Konzentrationen aufweist, dem CNDP1-KO Zebrafisch der keine Carnosinsyn-thase exprimiert sowie in der Hämochromatosemaus mit stark erniedrigtem Carnosin und Akkumulation des reaktiven Metaboliten Eisen. Da die CN2 kein Carnosin jedoch Cysteinylglycin hocheffizient zu Cystein und Glycin abbaut, wird deren Bedeutung für den diabetischen Glutathion- und H2S Stoffwechsel und diabetische Spätschäden in vitro, tierexperimentell und in Proben diabetischer Patienten analysiert.

    C07N Zemva

    Verlust der Methylglyoxal-induzierten Schutzantwort als Ursache diabetischer Folgeschäden
    Ziel ist die Identifizierung der Sensoren, Mediatoren und Effektoren der MG-induzierten Schutzantwort. Zunächst werden Mausendothelzellen mit MG und HG präkonditioniert und anschließend mittels mRNASeq, (Phospho-)Proteom-Analysen sowie Endothelfunktions-Tests charakterisiert. Des Weiteren wird die Rolle des bereits identifizierten Effektors Hsp70 für die MG-induzierte Proteinaggregation untersucht, u.a. in einem Hsp70-Knockout Mausmodell. Im letzten Teil sollen neue Biomarker zur Identifizierung besonders gefährdeter Patienten im Hinblick auf die Entwicklung diabetischer Spätschäden etabliert werden.

    S01 Fleming/Hell

    Liquid-Chromatography Tandem Mass Spectrometry (LC-MS/MS) Core Facility
    In der letzten Förderperiode stellte dieses Projekt den Mitgliedern verlässliche Methoden zur Bestimmung und Quantifizierung von reaktiven Metaboliten und daraus resultierenden post-translationalen Modifikationen zur Verfügung. Außerdem konnte durch die Beteiligung an nationalen und internationalen Kollaborationen, insbesondere durch die Analyse großer Patientenkohorten, die Grundlagenforschung des SFB mit klinischen Beobachtungen verknüpft werden. Dieser „bench-to-bedside“ Ansatz führte zur Entwicklung neuer Hypothesen und/oder Projekten bezüglich des Verständnisses zur Rolle von reaktiven Metaboliten bei diabetischen Spätschäden. Zusätzlich zur Durchführung von biochemischen Analysen von Stoffwechselwegen, wurden neue Methoden und Reagenzien entwickelt. Für die nächste Förderperiode wurde eine Kollaboration mit der Metabolomics Core Technology Platform (MCTP), welche Teil des Centre for Organismal Studies Heidelberg (COS Heidelberg) ist, initiiert um den erwarteten Anstieg beim Bedarf nach massenspectrometrischen Analysen gerecht zu werden. Durch diese Kollaboration erhalten die Mitglieder Zugang zu einem breiteren Spektrum an Instrumenten und Anwendungen, um die weiteren projektspezifische Anforderungen abdecken zu können.

    S03N Schumacher/Freichel

    Plattform für CRISPR/Cas9-Technologie und AAV8-Atherosklerose-Modell
    S03N wird für die Teilprojekte CRISPR/Cas-Genomeditierungstools generieren und testen, die Ziel-Loci in Zellen oder Mausmodellen zeitnah ausschalten oder modifizieren können. S03N wird mit der Expertise zahlreicher Projekte diabetische Langzeitschäden in der bereits etablierten Glo1-KO-Mauslinie und der neu zu generierenden Akr1b3-defizienten Linie detailliert aufklären. Außerdem wird ein flexibles, nicht-genetisches Tiermodell für die Untersuchung makroangiopathischer Komplikationen zur Verfügung gestellt, das durch einmalige Virus-Injektion in bestehende Mauslinien implementiert und mit Diabetes-Modellen kombiniert werden kann.

    A02 Muckenthaler

    Diabetische Spätschäden verursacht durch Eisen-induzierte reaktive Sauerstoffradikale (unabhängig von Methylglyoxal)
    Die veränderte Regulation des Eisenstoffwechsels bei einem Diabetes Typ 2 führt zur verstärkten Produktion von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) und stellt damit einen bisher nicht erkannten Spätschaden dar. Spätschäden in der Niere und im Auge manifestieren sich auf Grund von erhöhten Eisenspiegeln. Ziele der nächsten Förderperiode sind es zu verstehen, welche Mechanismen bei einem Diabetes Typ 2 den Eisenstoffwechsel verändern und wie Eisen-induzierte posttranslationale Modifikationen bekannte diabetische Komplikation verstärken.

    A04 Fleming

    Die Bedeutung der enzymatischen Regulation des Methylglyoxalmetabolismuses bei diabetischer Neuropathie
    In der letzten Förderperiode wurde gezeigt, dass der komplette Verlust der detoxifizierenden Kapazität von Glyoxalase 1 (Glo1), sowohl in vitro als auch in vivo, nicht zu einer Akkumulation von Methylglyoxal (MG) oder daher rührenden post-translationalen Modifikationen führt. Anteil daran hat der kompensatorische Abbau von MG durch Aldo-Keto-Reduktase (AKR). Außerdem wurde gezeigt, dass die akzeptierte Hypothese bezüglich der Produktion von MG, erhöhte Produktion und Akkumulation von MG als eine Konsequenz des erhöhten glykolytischen Flusses, falsch ist. In der nächsten Förderperiode sollen daher die Folgen des Verlusts von AKR, in Gegenwart und Abwesenheit von Glo1, auf die Entstehung und Entwicklung von diabetischen Spätschäden, wie diabetischer Neuropathie, untersucht werden. Außerdem soll geklärt werden ob der glykolytische Fluss die Hauptquelle von MG in Diabetes ist.

    B02 Freichel

    TRPC-Kationenkanäle bei Hypoglykämie-assoziiertem Versagen des autonomen Nervensystems in Diabetesmodellen
    TRPCQ KO Mäuse zeigen einen Defekt beim Anstieg der Plasma-Adrenalinspiegel nach Hypoglykämie ähnlich wie Diabetespatienten. In B02 sollen die ursächlich beteiligten TRPC-Subtypen sowie weitere beteiligte metabolische Signaturen und posttranslationale Modifikationen identifiziert werden. Durch zelltypspezifische TRPC-Inaktivierung soll der Kopplungsmechanismus zwischen Hypoglykämie und Sympathikus Gegenregulation sowie die ausführenden neuronalen Strukturen aufgeklärt werden. In etablierten Diabetes-Tiermodellen soll das Ausmaß der defekten Sympathikus Gegenregulation und deren therapeutische Beeinflussbarkeit durch TRPC Kanalmodulatoren untersucht werden.

    B05 Heiland/Schwarz

    Zusammenfassung TP B05: Die Relevanz endoneuraler Substratablagerung und reaktiver Metaboliten bei der Pathogenese der diabetischen Polyneuropathie: Untersuchungen mit MR-Neurographie
    In der ersten Förderperiode gelang uns mit Hilfe der MR-Neurographie erstmals die in vivo Lokalisierung spezifischer Nervenveränderungen bei der diabetischen Polyneuropathie (dPNP) sowie die ex vivo Identifizierung von Hyaluronsäure (HA)-Einlagerungen als pathophysiologisches Korrelat. Im Tiermodell ließen sich vergleichbare Veränderungen hingegen nicht nachweisen. Ziel der zweiten Förderperiode ist es, diese HA-Ablagerungen MR-tomographisch direkt zu charakterisieren und zu verfolgen; hierdurch sollen die Mechanismen entschlüsselt werden, die zur HA-Ablagerung und schließlich zur funktionellen Schädigung des Nervs führen. Weiter wird untersucht, ob die Mechanismen für Diabetestyp, Alter oder Geschlecht spezifisch sind und ob sie sich durch therapeutisches Eingreifen (z.B. Intermittent Fasting) modulieren lassen.

    B07N Isermann

    Regulation der mitochondrialen Qualität und Funktion im Rahmen der diabetischen Nephropathie – Bedeutung der Gerinnungsproteasen
    Wir postulieren, dass die Gerinnungsproteasen Thrombin und aPC die Regenerationsfähigkeit der Niere durch Kontrolle der mitochondrialen Funktion (und damit der Generierung von ROS, reaktiven Metaboliten und PTMs) regulieren. Wir werden zunächst die Bedeutung der mitochondrialen Dysfunktion für (a) den zellulären Metabolismus und (b) die Reparationsfähigkeit der Niere im Rahmen der diabetischen Nephropathie (dNP) untersuchen. Wir werden dann die Mechanismen, durch die Thrombin und aPC die mitochondriale Funktion im Rahmen der dNP regulieren, untersuchen, mit einem Fokus auf PTMs durch Peroxynitrit und Proteinnitrosylierung. Relevante Biomarker werden wir an klinischen Proben evaluieren.

    C04 Hoffmann

    Rolle des Angiotensin II Typ 2 Rezeptors (AT2R) für die Regulation der Redox-Balance und der posttranslationalen Proteinmodifikation in der tubulären Epithelzelle bei diabetischer Nephropathie (DN)
    Im Projekt C04 wird die Rolle mitochondrialer (mt) AT2R im Nierentubulus für die Regulation der mitochondrialen Funktion, der Bildung reaktiver Metabolite und der Posttranslationalen Proteinmodifikation und Expression/Aktivität metabolischer Reaktionswege im Kontext der Diabetischen Nephropathie untersucht (Modell: HK-2 Zellen und transgenen Ratten, die den AT2R mit mitochondrialem Targetingsignal überexprimieren). Der Einfluss von Hyperglykämie und Reaktiven Metaboliten auf die mitochondriale Translokation des AT2Rs ist ein weiterer Schwerpunkt. Im dritten Teil des Projektes wird ein neuer Ansatz zur mitochondrialen Therapie der DN entwickelt.

    C06 Nawroth

    RAGE vermittelte DNA-Reparatur an der Schnittstelle zwischen Schädigung durch reaktive Metabolite und Reparatur diabetischer Folgeschäden.
    Bei Diabetes Typ 1 und Typ 2 kommt es zur Akkumulation von DNA-Doppelstrangbrüchen durch eine verminderte Fähigkeit zur DNA-Reparatur, dadurch entsteht Seneszenz und schlussendlich Fibrose eines Organs. RAGE wird in den Zellkern transloziert, durch ATM phosphoryliert, es bildet den MRN-Komplex und verändert die Struktur der DNA, sodass MRE-11 aktiv werden kann. Rekonstitution von RAGE in eine diabetische Maus führt zu einer Remission bestehender Spätschäden. Das Projekt untersucht, wie bei Diabetikern RAGE gehemmt wird, wie RAGE DNA-Reparatur und die Organfunktion wieder herstellt.

    KS01N Nawroth/Herzig

    Intermittierendes Fasten bei Patienten mit Typ 2 Diabetes und Albuminurie
    Entsprechend den Anregungen der Gutachter der ersten Förderperiode haben wir jetzt eine klinische Studie geplant, die geeignet ist, die im SFB untersuchten Detoxifizierungswege klinisch zu überprüfen. Die „fasting-mimicking-diet“ (FMD) ist eine Diät mit reduzierter Kalorienzufuhr, Zucker und Protein, aber reich an nicht saturierten Fetten und wird an 5 aufeinanderfolgenden Tagen im Monat für initial 3 Monate eingehalten. Diese Studie wird zentral für den SFB als proof of principle durchgeführt. Die Studie wird eine große Probenbank erstellen und mehreren Projekten des SFBs die Gelegenheit geben, die bei Diabetes gestörten Stoffwechselwege in dieser Interventionsstudie zu überprüfen. Ziel dieser Studie ist um die Bedeutung von FMD als Werkzeug zum Verständnis der Regulation der posttranslationalen Modifikation in Kontext diabetischer Spätschäden zu untersuchen.

    S02 Herpel

    Diabetes-spezifische Biomaterialbank
    Die Biomaterialbank des SFBs (S02) archiviert humane Gewebe-, Blut- und Urinproben und zusätzlich klinische Daten von Patienten mit und ohne Diabetes unter Berücksichtigung aller geltenden ethischen und rechtlichen Vorgaben und unter einem umfassenden Qualitätsmanagement. S02 ermöglicht hierdurch dem vor allem biochemisch-orientierten Forschungskonsortium des SFBs die erforderliche Translation auf humanes Material und ist für die Anwendung neuer Forschungsansätze und die Suche nach möglichen neuen Biomarkern unverzichtbar.

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