Zelluläre Immunologie

High-resolution Barcoding

Um die Hämatopoese und das Immunsystem auf Einzelzell- und klonaler Ebene zu entschlüsseln, hat unser Labor Cre-loxP-basierte DNA- und RNA-Barcoding-Technologien entwickelt, die als „Polylox“ bzw. „PolyloxExpress“ bezeichnet werden (Pei, Feyerabend et al. Nature 2017; Pei, Wang, Rössler et al. Nature Protocols 2019; Pei, Shang, Wang et al. Cell Stem Cell 2020; Fanti, Busch et al. Cell Stem Cell 2023). 

Die Anwendung dieser neuen endogenen Barcoding-Technologien führte unter anderem zu einer Klassifizierung der HSC-Schicksale in verschiedene Klassen, d.h. multi (lymphoid, myeloid, erythroid), myeloider-erythroid beschränkten und differenzierungsinaktiven HSC. Die zweite Generation unseres Barcodierungssystems, PolyloxExpress, ermöglicht die gleichzeitige Gewinnung von Barcodes und Informationen zum Transkriptom auf Einzelzellebene. Dadurch konnten wir die Ergebnisse des Zellschicksals direkt mit den zugrunde liegenden Transkriptom-Signaturen verknüpfen (Pei, Shang, Wang et al. Cell Stem Cell 2020).

Wir haben „Polytope“ entwickelt, um räumliche Informationen und die Verfolgung klonaler Abstammungslinien in situ zu verbinden (Postrach et al. bioRxiv 2024). Polytope verfügt über 512 verschiedene Farbcodes, die mit konventioneller Fluoreszenzmikroskopie sichtbar gemacht werden können, und bietet damit ein Werkzeug zur Erfassung komplexer klonaler Dynamiken in situ. Zum Beispiel konnten wir damit das Schicksal von Hunderten von Klonen in verschiedenen Geweben von der Embryonalentwicklung bis zum Erwachsenenalter nachverfolgen. 

Ziel unserer laufenden und zukünftigen Arbeiten ist es, diese Technologien anzuwenden, um die allgemeinen Mechanismen der Schicksalsentscheidungen hämatopoetischer Vorläuferzellen in einem Multi-omics-Ansatz und speziell die Entwicklungsontogenese gewebeansässiger Immunzellen wie Makrophagen (Frank, Postrach, Langhinrichs et al. bioRxiv 2024) und angeborene lymphoide Zellen (Cirovic et al. in Vorbereitung) in situ weiter zu untersuchen.

Entwicklung der T-Zell-Leukämie

In früheren Arbeiten haben wir die Zellkonkurrenz zwischen „jungen“ Vorläuferzellen aus dem Knochenmark und „alten“ Vorläuferzellen aus dem Thymus als Tumorsuppressor-Mechanismus für akute lymphatische T-Zell-Leukämie (T-ALL) identifiziert (Martins et al. Nature 2014). Die Unterbrechung des Zustroms neuer Vorläuferzellen in den Thymus führt zur spontanen Entwicklung einer ausgewachsenen T-ALL und stellt ein einzigartiges und robustes System dar, um zelluläre und molekulare Vorgänge beim Übergang von normalen zu leukämischen T-Zellen zu entschlüsseln, das der menschlichen Krankheit sehr ähnlich ist (Martins et al. Nature 2014; Ginn et al. Mol Ther Nucleic Acids 2017; Schiroli et al. Sci Transl Med 2017; Gao J et al. Dis Model Mech 2019). Da dieses Tumormodell unabhängig von a priori eingeführten Onkogenen ist, macht es die natürliche Entstehung von Klonen und Mutationen kinetisch zugänglich und stellt im Allgemeinen ein wohl einzigartiges Instrument dar, um die Mechanismen der Tumorentwicklung und -progression zu untersuchen.

In diesem Sinne wenden wir dieses System der Tumorentwicklung in den folgenden Zusammenhängen an:

• Untersuchung von Notch1-Treibermutationen als ratenlimitierender Schritt der Tumorentstehung

• Modellierung des Einflusses von Stammzellen auf das Risiko des Erwerbs von onkogenen Treibern und der Leukämieprogression (in Zusammenarbeit mit dem Labor von Thomas Höfer)

• Aufschlüsselung des Metastasierungsverhaltens von T-ALL durch Anwendung von Polylox und PolyloxExpress Barcoding und Lineage Tracing

Biologie der Mastzellen

Mastzellen sind nach wie vor ein großes Rätsel innerhalb des Immunsystems. Wir haben Mausmutanten und Datenbanken entwickelt, um die Biologie der Mastzellen in Gesundheit und Krankheit zu untersuchen. Dazu gehören mastzelldefiziente Mäuse (Feyerabend et al. Immunity 2011, Rodewald und Feyerabend, Immunity 2012) und das Proteom primärer menschlicher und muriner Mastzellen (Plum et al. Immunity 2020).

Mastzellen fördern allergische Erkrankungen und sind Teil der sogenannten Typ-2-Immunität. Während die immunologischen Grundlagen von Allergien gut beschrieben sind, sind die Mechanismen der neurologischen Symptome von Allergien, d. h. Juckreiz, Husten, Erbrechen, Durchfall und Niesen, weniger gut verstanden. Aufgrund ihrer Lage in den Barrieregeweben und ihrer Fähigkeit, Umweltantigene zu erkennen, haben wir die mögliche Rolle der Mastzellen als Bindeglied zwischen spezifischen Umweltreizen und dem Nervensystem untersucht. Wir haben Mastzellen als entscheidende Vermittler identifiziert, die aufgrund von Antigenen Vermeidungsverhalten signalisieren und dadurch Entzündungen verhindern oder reduzieren, die durch wiederholte Exposition verursacht werden (Plum, Binzberger et al. Nature 2023). Unsere Ergebnisse legen nahe, dass Mastzellen diese verschiedenen Gewebesignale schnell in geeignete, organspezifische Schutzreflexe umwandeln, die Entzündungen begrenzen oder Gewebeschäden verringern können (Plum et al. Immunity 2024).