AG Lehmann

Sehen, Riechen, Schmecken, wenn unsere Hormone Ihre Arbeit verrichten und unser Herz schlägt – bei all diesen Vorgängen übernimmt eine bestimmte Rezeptorklasse wichtige Aufgaben: die sogenannten G-Protein-gekoppelten Rezeptoren (GPCR). GPCR gehören zur Familie der Membranproteine und spielen eine zentrale Rolle bei nahezu allen physiologischen Prozessen in unserem Körper. Sie binden eine Vielzahl von unterschiedlichen Liganden, was zur Konformationsänderung des Rezeptorproteins und damit zur Erkennung und Aktivierung von intrazellulären Bindungspartnern führt. Aufgrund ihrer stark verbreiteten Expression und vielfältigen Wirkungsweisen ist es kaum verwunderlich, dass einige GPCR auch mit pathophysiologischen Vorgängen des menschlichen Körpers assoziiert sind. Aus diesem Grund stehen GPCRs im Mittelpunkt der Wirkstoffforschung, wobei etwa 1/3 aller zugelassenen Medikamente gegen GPCR gerichtet sind. Adhäsions-GPCR bilden eine Untergruppe dieser Rezeptorklasse und sind an einer Vielzahl von physiologischen Prozessen beteiligt. Entsprechend werden diese Rezeptoren mit diversen Erkrankungen des Menschen, wie Entwicklungsstörungen, Defekte des Nervensystems, Allergien und Krebs in Verbindung gebracht. Neben ihrer Sieben-Transmembran-Domäne sind aGPCR durch ihre großen extrazellulären N-Termini gekennzeichnet, die mehrere Adhäsionsdomänen enthalten können. Abgesehen von klassischen G-Protein-Signalen können aGPCR auch nur über ihre N-Termini signalisieren. Mehrere aGPCR wurden kürzlich mit mechanosensitiven Funktionen in Verbindung gebracht, was darauf hindeutet, dass die Verarbeitung mechanischer Reize ein gemeinsames Merkmal dieser Rezeptorfamilie sein könnte.​

Die Rolle von Adhesion G-Protein-gekoppelte Rezeptoren bei der Knochenhomöostase

Unsere Knochen sind kein starres Gebilde - auch nach abgeschlossenem Längenwachstum befinden sie sich in einem ständigen Auf-, Ab- und Umbauprozess. Verschiedene Zelltypen wie Osteoblasten, Osteoklasten und Osteozyten halten die Knochenhomöostase aufrecht. Während Osteoblasten Knochen aufbauen, resorbieren Osteoklasten Knochengewebe, wobei beide Aktionen streng durch die Osteozyten reguliert werden. Viele Faktoren tragen zur Regulation ihrer Wechselwirkung und Differenzierung bei und bestimmen dadurch die relativen Raten der Knochenbildung und -resorption. Die Homöostase dieser Prozesse ist entscheidend, um Schäden an der Knochenstruktur und daraus resultierende metabolische Knochenerkrankungen zu verhindern. Die Forschung zu aGPCR steckt noch in den Kinderschuhen, aber jüngste Fortschritte haben eine besondere Funktion für diese Rezeptoren hervorgehoben, die GPCR- und Integrin-ähnliche Funktionen kombiniert. Es gibt zunehmend Hinweise darauf, dass diese Rezeptorklasse für die Knochenentwicklung, Homöostase und Krankheit von großer Bedeutung ist. Welche aGPCR sind in Osteoblasten, Osteoklasten und Osteozyten exprimiert und wie beeinflussen diese die Differenzierung und Funktion der einzelnen Knochenzellen? Welche Rolle spielt dabei die Funktion der aGPCR als Mechanosensor und wie beeinflusst ein Verlust einzelner aGPCR die Knochenhomöostase in vivo? Mit Hilfe verschiedener in vitro und in vivo Versuche wollen wir diesen Fragen auf den Grund gehen.​

Validierung des Repertoires und der funktionellen Relevanz von aGPCR in Osteoblasten Osteoklasten und Osteozyten

Obwohl mehrere aGPCR mit Knochenerkrankungen oder -funktionsstörungen in Verbindung gebracht wurden, bleibt unklar, welche dieser Rezeptoren an der Regulierung der Knochenhomöostase beteiligt sind. Durch die Analyse des Expressionsmusters aller aGPCR während der Differenzierung von Osteoblasten, Osteoklasten und Osteozyten, konnten wir bereits ein paar vielversprechende Kandidaten identifizieren. Mit Hilfe eines rezeptorspezifischen knockdowns und der Stimulierung des jeweiligen aGPCR mit seinem agonistische Peptid, wollen wir den Beitrag einzelner aGPCR für die Differenzierung und Funktion der Knochenzellen näher untersuchen und herausfinden, welche Signale von dem jeweiligen Rezeptor vermittelt werden.

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Phänotypische Relevanz von GPR133 bei der Differenzierung von Osteoblasten und Osteoklasten unter Verwendung eines rezeptordefizienten Mausmodells

Erste Untersuchungen zeigten bereits, das Gpr133-KO-Mäuse eine verringerte Knochenmasse aufweisen. Bis jetzt ist jedoch unklar, ob dieser Phänotyp von einer verringerten Knochenformation oder einer erhöhten Knochenresorption herrührt. Um dieser Frage auf den Grund zu gehen werden die Knochen der Tiere detaillierter untersucht. So wird unter anderem die Mikroarchitektur mittels µCT untersucht und deren zelluläre Beschaffenheit mittels histologischer Methoden analysiert. Zusätzlich erfolgt die Untersuchung verschiedener Serumparameter.

Etablierung eines In-vitro-Stretching-Modells für Osteoblasten und Osteozyten, um die Rolle von GPR133 als metabotroper Mechanosensor zu untersuchen

Es wurde gezeigt, dass mechanische Belastung die Differenzierung von Osteoblasten fördert, während sie die Differenzierung in Adipozyten behindert. Die Dauer und Intensität des mechanischen Reizes spielt dabei eine entscheidende Rolle und beeinflusst die Aktivierung bzw. Inhibierung verschiedener Signalwege, welche bei dem Differenzierungsprozess beteiligt sind. Auch wenn bereits mehrerer aGPCR als potenzielle Mechanorezeptoren identifiziert wurden fokussieren wir uns zunächst auf den GPR133. Hierfür wurde bereits ein in vitro-Stretching-Modell mit primären Zellen in unserem Labor entwickelt. Mit Hilfe weiterführende Experimente wollen wir die Relevanz von GPR133 als Mechanorezeptor in Osteoblasten bzw. Osteozyten erforschen.

1. Lehmann J, Thiele S, Baschant U, Rachner TD, Niehrs C, Hofbauer LC, Rauner M. Mice lacking DKK1 in T cells exhibit high bone mass and are protected from estrogen-deficiency-induced bone loss. iScience. 2021;24(3):102224.
2. Hildebrandt N*, Colditz J*, Dutra C, Goes P, Salbach-Hirsch J, Thiele S, Hofbauer LC, Rauner M. Role of osteogenic Dickkopf-1 in bone remodeling and bone healing in mice with type I diabetes mellitus. Sci Rep 2021;11(1)1920. *Shared co-first authorship
3. Schütt J, Sandoval Bojorquez DI, Avitabile E, Oliveros Mata ES, Milyukov G, Colditz J, Delogu LG, Rauner M, Feldmann A, Koristka S, Middeke JM, Sockel K, Fassbender J, Bachmann M, Bornhäuser M, Cuniberti G, Baraban L. Nanocytometer for smart analysis of peripheral blood and acute myeloid leukemia: a pilot study. Nano Lett. 2020;20(9):6572-6581.
4. Colditz J*, Picke AK*, Hofbauer LC, Rauner M. Contributions of Dickkopf-1 to Obesity-Induced Bone Loss and Marrow Adiposity. JBMR Plus. 2020 Apr 28;4(6):e10364. *Shared co-first authorship
5. Colditz J, Thiele S, Baschant U, et al. Osteogenic Dkk1 Mediates Glucocorticoid-Induced but Not Arthritis-Induced Bone Loss. J Bone Miner Res. 2019;34(7):1314‐1323.
6. Tsourdi E*, Colditz J*, Lademann F, Rijntjes E, Köhrle J, Niehrs C, Hofbauer LC, Rauner M. The Role of Dickkopf-1 in Thyroid Hormone-Induced Changes of Bone Remodeling in Male Mice. Endocrinology. 2019;160(3):664‐674. doi:10.1210/en.2018-00998 *Shared co-first authorship
7. Colditz J, Thiele S, Baschant U, Niehrs C, Bonewald LF, Hofbauer LC, Rauner M. Postnatal Skeletal Deletion of Dickkopf-1 Increases Bone Formation and Bone Volume in Male and Female Mice, Despite Increased Sclerostin Expression. J Bone Miner Res. 2018;33(9):1698‐1707. ​