Ein zentrales Thema unserer Forschung ist die Identifizierung von neuen Krankheitsgenen für genetisch bedingte Erkrankungen. Dazu suchen wir mittels moderner humangenetischer Methoden, wie etwa der auf der Next Generation Sequencing (NGS)-Technologie basierenden Exomsequenzierung, im Erbgut von Betroffenen nach pathogenen Veränderungen (Mutationen). Insbesondere versuchen wir derzeit genetische Ursachen für Erkrankungen der Aorta (Aortenaneurysma und -dissektion) aufzudecken, denn gerade bei dieser Erkrankungsgruppe gilt das Wissen über die genetische Ursache als gewichtige Entscheidungshilfe hinsichtlich Krankheitsprognosen, Therapien und Vorsorgemaßnahmen.

Ein weiterer, überaus spannender Forschungsfokus von uns liegt in der funktionellen Charakterisierung der von Krankheitsgenen kodierten Proteine. Dabei versuchen wir mittels eines breiten Repertoires an molekularbiologischen, biochemischen und zellbiologischen Techniken zu verstehen, warum eine gegebene genetische Veränderung zu einem nicht mehr korrekt funktionierenden Protein führt – sprich, wir beabsichtigen die jeweilige molekulare/zelluläre Pathophysiologie zu entschlüsseln. Darüber hinaus gewähren uns diese Untersuchungen häufig neue Erkenntnisse über die Normalfunktion des jeweils analysierten Proteins. Im Mittelpunkt unserer Forschung diesbezüglich stehen Proteine aus den EGFR-RAS-MAPK und TGFB-TGFBR-SMAD Signalwegen (insbesondere kleine G-Proteine/GTPasen der RAS-Superfamilie) sowie Moleküle mit Funktionen beim Vesikel-abhängigen Transport von Membranproteinen.

• Renner, S., Schüler, H., Alawi, M., Kolbe, V., Rybczynski, M., Woitschach, R., Sheikhzadeh, S., Stark, V.C., Olfe, J., Roser, E., Seggewies, FS., Mahlmann, A., Hempel, M., Hartmann, M.J., Hillebrand, M., Wieczorek, D., Volk, A.E., Kloth, K., Koch-Hogrebe, M., Abou Jamra, R., Mitter, D., Altmüller, J., Wey-Fabrizius, A., Petersen, C., Rau, I., Borck, G., Kubisch, C., Mir, T.S., von Kodolitsch, Y., Kutsche, K., Rosenberger, G. (2019) Next-generation sequencing of 32 genes associated with hereditary aortopathies and related disorders of connective tissue in a cohort of 199 patients. Genetics in Medicine, doi: 10.1038/s41436-019-0435-z.
• Meyer Zum Büschenfelde, U., Brandenstein, L.I., von Elsner, L., Flato, K., Holling, T., Zenker, M., Rosenberger, G./Kutsche, K.^{equally contributed} (2018) RIT1 controls actin dynamics via complex formation with RAC1/CDC42 and PAK1. PLoS Genetics 14(5):e1007370.
• Kortüm, F., Harms, F.L., Hennighausen, N., Rosenberger, G. (2015) αPIX Is a Trafficking Regulator that Balances Recycling and Degradation of the Epidermal Growth Factor Receptor.PLoS One. 2015 Jul 15;10(7)
• Lorenz, S., Lissewski, C., Simsek-Kiper, P.O., Alanay, Y., Boduroglu, K., Zenker, M., Rosenberger, G. (2013) Functional analysis of a duplication (p.E63_D69dup) in the switch II region of HRAS: new aspects of the molecular pathogenesis underlying Costello syndrome. Human Molecular Genetics, 22:1643-53.
• Endele, S./Rosenberger, G.^{equally contributed}, Geider, K., Popp, B., Tamer, C., Stefanova, I., Milh, M., Kortum, F., Fritsch, A., Pientka, F. K., Hellenbroich, Y., Kalscheuer, V. M., Kohlhase, J., Moog, U., Rappold, G., Rauch, A., Ropers, H. H., von Spiczak, S., Tonnies, H., Villeneuve, N., Villard, L., Zabel, B., Zenker, M., Laube, B., Reis, A., Wieczorek, D., Van Maldergem, L., Kutsche, K. (2010) Mutations in GRIN2A and GRIN2B encoding regulatory subunits of NMDA receptors cause variable neuro­developmental phenotypes. Nature Genetics, 42, 1021-1026.

Die Krankheitsbilder thorakales Aortenaneurysma (Aussackung der Aorta) und thorakale Aortendissektion (Aufspaltung der Wandschichten der Aorta) – beide werden zusammengefasst und abgekürzt als TAAD (thorakale/s Aortenaneurysma und –dissektion) – sind lebensbedrohliche Erkrankungen der Aorta und für etwa 1% der Mortalität in den Industriestaaten verantwortlich. TAAD kommt isoliert als nicht-syndromale Form vor oder in Verbindung mit weiteren klinischen Kennzeichen, wie etwa beim Marfan- oder Loeys-Dietz-Syndrom. Für TAAD-Spektrum Erkrankungen liegt eine ausgeprägte genetische Prädisposition vor, wobei derzeit etwa 20 verschiedene Krankheitsgene bekannt sind. Das heißt, genetische Veränderungen (Mutationen) in diesen Genen sind ursächlich für die Ausprägung dieser Krankheiten. Wichtig ist zu wissen, dass individuelle Risikoabschätzung, präventive Maßnahmen sowie adäquate Therapie/Nachsorgekonzepte stark von der jeweiligen genetischen Ursache (also dem jeweils mutierten Gen) abhängig sind. Da allerdings nur bei einem Teil der Betroffenen eine krankheitsverursachende Mutation in den bekannten Krankheitsgenen gefunden wird, existiert eine große diagnostische Lücke.

Um diese Lücke zu schließen und eine vollständige genetische Diagnostik als gewichtige medizinische Entscheidungshilfe gewährleisten zu können, versuchen wir zurzeit mittels Exomsequenzierung neue, bislang unbekannte Krankheitsgene aufzudecken. Zur Verifizierung mittels Sequenzierung der neuen putativen Krankheitsgene steht uns eine Kohorte von mehr als 200 mutationsnegativen Patienten mit TAAD-Spektrum Erkrankungen zur Verfügung. Die funktionellen Auswirkungen der aufgedeckten, putativ pathogenen Sequenzveränderungen analysieren wir sodann mittels adäquater (= an die putativen Krankheitsgenprodukte angepasster) biologischer und biochemischer Methoden. Dies dient bei privaten oder sehr seltenen Varianten einerseits dazu, die mutmaßliche Pathogenität der Veränderung auf Proteinebene zu untermauern, andererseits gewinnen wir auf diese Weise neue Erkenntnisse über die molekulare Pathogenese der TAAD.

Dieses Projekt führen wir in enger Kooperation mit Prof. Dr. med. Yskert von Kodolitsch aus der Klinik für Allgemeine und Interventionelle Kardiologie des Universitären Herzzentrums Hamburg durch.

Förderung durch die Deutsche Stiftung für Herzforschung ( F/02/13 ) von 2014 bis 2015 (Projektleiter: PD Dr. rer. nat. G. Rosenberger und Prof. Dr. med. Y. von Kodolitsch);
Förderung durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft ( RO 3660 3-1 ) von 2016 bis 2019 (Projektleiter: PD Dr. rer. nat. G. Rosenberger; Mitverantwortlicher: Prof. Dr. med. Y. von Kodolitsch).

Weltweit erkranken jährlich etwa 500.000 Menschen an einer aneurysmatischen Subarachnoidalblutung (aSAB); die Prävalenz für intrakranielle Aneurysmen (IA) in der Allgemeinbevölkerung ist noch höher und wird auf etwa 3% geschätzt. Neben Lebensstil und medizinischen Faktoren (z.B. Rauchen, Bluthochdruck) gilt auch eine genetische Prädisposition als Risikofaktor. Das Risiko für IA und aSAB bei den Familienangehörigen eines Patienten ist also erhöht, der genetische Hintergrund der Krankheit ist jedoch bislang unklar.

Unser Ziel ist mittels Exomsequenzierung krankheitsrelevante Sequenzvarianten in bislang unbeschriebenen Krankheitsgenen aufzudecken, die an der Ätiologie von IA/aSAB beteiligt sind. Die funktionellen Auswirkungen der aufgedeckten, putativ pathogenen Sequenzveränderungen analysieren wir sodann mittels adäquater (= an die putativen Krankheitsgenprodukte angepasster) biologischer und biochemischer Methoden. Dies dient bei privaten oder sehr seltenen Varianten einerseits dazu, die mutmaßliche Pathogenität der Veränderung auf Proteinebene zu untermauern, andererseits gewinnen wir auf diese Weise neue Erkenntnisse über die molekulare Pathogenese der IA/aSAB.

Dieses Projekt führen wir in enger Kooperation mit Dr. med. Thomas Sauvigny aus der Klinik und Poliklinik für Neurochirurgie durch.

Bei den RASopathien handelt es sich um eine Gruppe von seltenen genetisch bedingten Erkrankungen, deren gemeinsame molekulare Grundlage eine veränderte Signaltransduktion innerhalb der RAS-MAPK-Signalwege darstellt. Verursacht wird diese Fehlfunktion durch Mutationen in Genen, die für Proteine aus den RAS-MAPK-Signalwegen kodieren. Zu den RASopathien zählt u.a. das Costello-Syndrom, welches durch ein typisches Gesicht, postnatale Gedeihstörung, Intelligenzminderung, eine Prädisposition für maligne Erkrankungen sowie Auffälligkeiten des Skelettsystems, des Herzens und der Haut charakterisiert ist. Das Costello-Syndrom wird durch Mutationen im HRAS-Gen verursacht. Die kleine GTPase HRAS übernimmt bei der Signalweiterleitung innerhalb der RAS-MAPK-Signalwege eine zentrale Funktion als molekularer Schalter, indem es zwischen einer aktiven und einer inaktiven Konformation alterniert.

Die durch HRAS Mutationen hervorgerufene molekulare Pathophysiologie wurde bereits in verschiedenen Geweben und Zelltypen untersucht, jedoch bis dato sind die molekularen Grundlagen für die Costello-Syndrom-typischen Hautauffälligkeiten (Ausbildung von Papillomen, eine starke Verhornung und tiefe Furchen an Hand- und Fußflächen, ein übermäßiges Schwitzen, sowie eine generell weichsamtige Hautkonsistenz) weitgehend unbekannt. Daher ist das Ziel dieses Projekts einen signifikanten Einblick in die Funktion von HRAS bei der Regulation der epidermalen Homöostase und deren Deregulierung beim Costello-Syndrom zu erhalten. Um hautrelevante, pathophysiologische Veränderungen zu charakterisieren und hautspezifische zelluläre Signalwege zu studieren verwenden wir zwei Modellsysteme, nämlich primäre Hautfibroblasten von Patienten mit Costello-Syndrom und humane Keratinozyten; in letztere fügen wir mittels einer sog. Gene Editing Methode Costello-Syndrom-assoziierte Mutationen in HRAS ein. In diesen Zellen wollen wir sukzessive für die Haut typische Biomarker (Proteine) auf Menge und Verortung untersuchen, die durch die gegebenen RASopathie-Mutationen veränderten zellulären Signaltransduktionswege aufdecken und allfällige, noch unbekannte hautspezifische Funktionen von HRAS identifizieren.

Dieses Vorhaben ist ein Teilprojekt des Deutschen Forschungsnetzwerks für RASopathien - German Network for RASopathy Research (GeNeRARe) und wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Fördermaßnahme Translationsorientierte Verbundvorhaben im Bereich der seltenen Erkrankungen von 2016 bis 2018 gefördert (Projektleiter/in: PD Dr. rer. nat. G. Rosenberger und Prof. Dr. rer. nat. K. Kutsche).

Bei den RASopathien handelt es sich um eine Gruppe von seltenen genetisch bedingten Erkrankungen, deren gemeinsame molekulare Grundlage eine aberrante Signaltransduktion innerhalb der RAS-MAPK-Signalwege darstellt. Zu den RASopathien zählt u.a. das Noonan-Syndrom, welches durch kongenitale Herzfehler, Kleinwuchs und typische kraniofaziale Dysmorphien charakterisiert ist. Keimbahnmutationen im RRAS-Gen führen zu einem mit dem Noonan-Syndrom überlappenden Phänotyp. Die kleine GTPase RRAS Protein wirkt in der Zelle als molekularer Schalter bei der Weiterleitung von Signalen und wechselt in dieser Funktion zwischen einem aktiven und einem inaktiven Zustand. RRAS ist an der Regulation von Zelladhäsion und Zellausbreitung beteiligt, indem es eine bestimmte Proteinklasse, die transmembranen Integrine, kontrolliert. Integrine lokalisieren in den Adhäsionsstellen zwischen Zellen und dem darunterliegenden Substrat, den sogenannten fokalen Adhäsionen und ermöglichen einen bidirektionalen Informationsaustausch zwischen extrazellulärer Matrix und Zytoskelett.

Zwar ist bekannt, dass RRAS Integrine aktivieren und die Komposition/Dynamik von fokalen Adhäsionen prinzipiell regulieren kann, allerdings sind die molekularen Zusammenhänge diesbezüglich noch völlig unklar. Daher ist das zentrale Ziel dieses Vorhabens die molekularbiologisch-mechanistische Aufklärung, wie RRAS-Aktivierung die Integrine und die fokalen Adhäsionen beeinflusst. In erster Linie suchen wir dazu mittels biologischer und biochemischer Techniken nach RRAS-gesteuerten, die Integrin-Aktivierung ausführenden Molekülen. Zusammengenommen soll unsere Studie tiefere Einblicke in die letzten Schritte der Integrin-Aktivierung ermöglichen und zu einem umfassenden Verständnis der zellulären Pathophysiologie von RASopathien beitragen.