AG von Mikecz: Umweltnoxen und Zellkern

Gruppenleiterin: Prof. Dr. rer. nat. Anna von Mikecz tl_files/bilder/mail.gif CV
Telefon: 0211-3389-358

Forschungsprofil

Die Arbeitsgruppe von Mikecz untersucht die Wirkung von exogenen Noxen auf die Struktur und Funktion des Zellkerns. Eine wichtige Rolle spielt hierbei das nucleäre Ubiquitin-Proteasomen-System, das für die Qualitätskontrolle und einen ausgeglichenen Proteinhaushalt (Homeostase) sorgt. Die AG hat dazu beigetragen das Ubiquitin-Proteasomen-System im Zellkern zu charakterisieren und dessen Rolle bei nucleären Prozessen wie der Transkription aufzuklären. Es konnte gezeigt werden, dass einige Schwermetalle und Nanomaterialien den proteasomalen Proteinabbau verändern und es zur Bildung von Amyloid-ähnlichen Aggregaten im Zellkern kommt. Diese Aggregate stellen proteolytische Zentren dar, die bei einer Noxen-induzierten Stressantwort u. a. Komponenten des Ubiquitin-Proteasomen Systems, Heat Schock Proteine und Faktoren der RNA-Prozessierung rekrutieren. Die durch Noxen-induzierten Amyloid-ähnlichen Aggregate im Zellkern weisen eine auffällige Übereinstimmung mit neuronalen nucleären Einschlüssen auf, die bei neurodegenerativen Aggregaterkrankungen vorkommen. Die Untersuchung der Mechanismen dieser nucleären Proteinaggregation dient damit sowohl dem besseren Verständnis der molekularen Wirkungen von exogenen Noxen, sowie der Mechanismen von neurodegenerativen Aggregaterkrankungen. So zeigt die AG von Mikecz in der Zellkultur und im Fadenwurm C. elegans, dass Nanopartikel aus Siliziumdioxid oder anorganisches Quecksilber amyloide Proteinaggregation in neuronalen Zellen auslösen, die die neurale Signalübertragung inhibieren. Diese Neurotoxizität manifestiert sich in C. elegans durch die Störung von neuromuskulären Verhaltensphänotypen, die ansonsten mit Alterungsprozessen assoziiert sind.

Exogene Noxen wie bestimmte Nanomaterialien und Schwermetalle stören die Proteinhomeostase im Zellkern und befördern die Bildung von Amyloid-ähnlichen Proteinaggregaten sowie der Neurodegeneration.

Projekte

In den folgenden Projekten werden die zellulären Vorgänge untersucht, die eine solche Störung der Qualitätskontrolle im Zellkern verursachen:

1. In einem Projekt wird die durch Nanopartikel ausgelöste Proteinaggregation im Zellkern untersucht. Besitzen die nucleären Proteinaggregate eine Funktion? Handelt es sich um Zentren der proteasomalen Proteolyse? Werden dort wichtige nucleäre Proteine abgebaut und bedingt dies Änderungen bei der Genexpression? Wie wirkt sich eine durch Nanopartikel-Exposition veränderte Genexpression auf die neuronale Funktion, bzw. die neuronale Signalvermittlung aus? Dieses Projekt soll die Entwicklung einer nachhaltigen Nanotechnologie befördern durch (i) die Charakterisierung der molekularen Vorgänge der Nanopartikel-vermittelten Bildung von Amyloid im Nucleus und (ii) einer Abschätzung des Risikos, ob Nanopartikel an der Entstehung von neurodegenerativen Erkrankungen beteiligt sein könnten. Verwendete Modellsysteme sind die Kultur neuronaler Zellen und der Nematode Caenorhabditis elegans.

Das Projekt erfolgt in Kooperation mit dem Neuroscience Network Düsseldorf und der Arbeitsgruppe Hemmerich am FLI - Leibniz-Institut für Alternsforschung in Jena. Es wurde initial von der DFG gefördert, eine Weiterführung ist beantragt.


2. Ein anderes Projekt untersucht die molekularen Signalwege der Amyloidbildung im Zellkern. Während die stufenweise Fibrillierung von Proteinen zu Amyloidstrukturen in vitro gut beschrieben ist, weiß man über intrazelluläre Prozesse der Proteinaggregation noch recht wenig. Die Arbeitsgruppe von Mikecz verwendet Nanopartikel aus Siliziumdioxid oder anorganisches Quecksilber, um gezielt amyloide Proteinaggregation im Zellkern zu induzieren, die exakt die gleichen Eigenschaften wie nucleäre Proteineinschlüsse bei neurodegenerativen Erkrankungen aufweisen (Chen and von Mikecz, Exp Cell Res 305: 51, 2005; Chen et al., J Cell Biol 180: 697, 2008; Arnhold and von Mikecz, Integr Biol, 2011). Anorganisches Quecksilber reduziert die Löslichkeit von endogenen nucleären Proteinen auch solcher mit homopolymeren Polyglutamin(polyQ)domänen. Mittels Anwendung von diskreter Mathematik wird die lokale Verteilung dieses Amyloids im Zellkern quantifiziert und es werden verschiedene Schritte der intranucleären Proteinaggregation analysiert. Diese Technik dient auch der Entwicklung von „Pattern Recognition“ Methoden als Voraussetzung für die (automatisierte) Detektion von intrazellulärer Proteinfibrillierung.

Das Projekt wird von den Graduiertenschulen GRK 1033 und iBRAIN finanziert und erfolgt in Kooperation mit den an den Graduiertenschulen beteiligten Arbeitsgruppen und dem Neuroscience Network Düsseldorf.


3. Aufgrund der exponentiell wachsenden Anwendung und Produktion von Nanomaterialien und deren absehbarer Verbreitung in der Umwelt ergibt sich die Notwendigkeit, die Bioverfügbarkeit von Nanopartikeln und deren Exposition in Wildtieren besser zu verstehen. In einem ökonanotoxikologischen Teilprojekt des EU Konsortiums NanoMILE testen wir die Hypothese, dass spezifische Eigenschaften von Nanomaterialien signifikante biologische Effekte in freilebenden Organismen (von einzelligen Algen bis zu niederen Vertebraten / Zebrafischen) auslösen. Die Analyse von Effekten über eine große Anzahl von verschiedenen wildlebenden Spezies hat zum Ziel zu identifizieren, ob und welche Wildtiere besonders sensibel für toxische Effekte sind und ob erste verallgemeinerbare Mechanismen ausgemacht werden können. Das Programm konzentriert sich auf Nanopartikel die durch ihre industrielle Anwendung besonders relevant sind. Ebenfalls wird untersucht inwieweit die Alterung der Partikel in der Umwelt zu einer Reduzierung oder Erhöhung einer potenziellen Toxizität beiträgt. Vergleichende Studien hierzu werden in Algen, Insekten, Fischen und im Fadenwurm C. elegans durchgeführt. Der Nematode steht dabei beispielhaft für einen freilebenden Fadenwurm der in der Flüssig- zu Festphase von unversiegelten Böden lebt. In C. elegans werden Parameter wie die Lebensspanne, die Reproduktion und die Alters-assoziierte Proteinhomeostase untersucht. Ein spezifisches Ziel ist die Translation der Ergebnisse aus der Zellkultur, verschiedenen Wildtieren und murinen Tiermodellen zur Identifizierung von gemeinsamen Mechanismen.

Das Projekt wird von der Europäischen Union durch das EU Consortium NanoMILE gefördert und erfolgt in Kooperation mit den Arbeitsgruppen des Consortiums, insbesondere der AG Schins (IUF).

Kooperationen

IUF-intern:
AG Krutmann/Team Unfried, AG Schins, AG Ventura

National:
HHU, Graduate School iBRAIN Neuroscience Network Düsseldorf
WGL, FLI – Fritz Lipman Institut – Leibniz Institute for Aging Research, Jena, AG Hemmerich
INM, Leibniz Institute for New Materials, Saarbrücken, AG Kraegeloh
DKNR, German Compentence Network Rheumatology
DNSS, German Network for Systemic Sclerosis

International:
ISH, International Society for Histochemistry
BWCN, International Committee of the Bernhard Workshop on the Cell Nucleus
EU, EU Consortium NanoMILE

Ausgewählte Publikationen

Arnhold F, Gührs KH, von Mikecz A: Amyloid domains in the cell nucleus controlled by nucleoskeletal protein lamin B1 reveal a new pathway of mercury neurotoxicity. PeerJ 3: e754, 2015. [pubmed] (open access)

Scharf A, Piechulek A, von Mikecz A: The effect of nanoparticles on the biochemical and behavioral aging phenotype of the nematode Caenorhabditis elegans. ACS Nano 7: 10695-10703, 2013. [pubmed]

Hemmerich PH, von Mikecz AH: Defining the Subcellular Interface of Nanoparticles by Live-Cell Imaging. Plos One 8: e62018, 2013. [pubmed]