Prof. Dr. Ulrike Müller

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Curriculum vitae

Name Ulrike Müller
Geburtsort München
Geburtsdatum 10.04.1960
 
2008 Forschungspreis der Hans und Ilse Breuer-Stiftung
seit 2005 Professorin für Funktionelle Genomik, Institut für Pharmazie und molekulare Biotechnologie, Uni Heidelberg
1999 Habilitation Molekularbiologie, universität Zürich
1997-2004 Leiterin der unabhängigen Forschungsgruppe Neurogenetik, Max-Planck-Institut für Hirnforschung, Frankfurt
1991-1997 EMBO longterm fellow und unabhängige Arbeitsgruppenleiterin Institut für Molekularbiologie I, Universität Zürich
1989-1991 Postdoc Medical School, University of Manchester, UK
1989 Dipl. rer. nat. Biochemie and Molecular Biology, Universität München
1985 Dipl. Chemie, Universität München
 

Projektbeschreibung

1. Einleitung und Hintergrund
Die Alzheimersche Demenz (AD) ist die häufigste neurodegenerative Erkrankung und durch extrazellulärer Amyloidablagerungen (Plaques) im Gehirn der Patienten gekennzeichnet.

Hauptbestandteil der Plaques ist das Amyloid b-Peptid (Ab), welches durch proteolytische Prozessierung aus dem Amyloid-Precursor-Protein APP entsteht. In den letzten Jahren wurden die Mechanismen der Ab-Produktion durch Sekretasespaltung intensiv untersucht.

Im Gegensatz hierzu ist die zellbiologische/physiologische Funktion von APP und insbesondere die Frage ob ein Funktionsverlust von APP zur Alzheimerpathogenese beiträgt, nach wie vor unverstanden. Hierbei sind es im wesentlichen zwei Herausforderungen, welche die in vivo Analyse komplizieren: (i) die genetische und funktionelle Redundanz durch APP-homologe Proteine (APLPs = APP-like proteins) und (ii) die komplexe proteolytische Prozessierung, die mindestens 5 verschiedene Polypeptide mit potentiell spezifischen Funktionen generiert.

1.1. Knockoutmäuse für einzelne und mehrer APP/APLP-Genfamilienmitglieder
Ein besseres Verständnis der physiologischen Funktionen von APP ist essentiell, um die Misregulation und die pathogenen Mechanismen zu entschlüsseln, die zur Alzheimerschen Krankheit führen. APP ist Mitglied einer Genfamilie, die neben APP, die als APP-like proteins bezeichneten Proteine APLP1 und APLP2 enthält.

Wir hatten in der Vergangenheit gezeigt, daß eine singuläre Gendefizienz für ein einzelnes APP-Familienmitglied, sowie APLP1-/-APP-/--Mäuse lebensfähig sind und nur einen schwachen Phänotyp aufweisen, während APLP2-/-APLP1-/- und APLP2-/-APP-/--Dopplemutanten sich als postnatal letal erwiesen (Heber et al., 2000). Daraufhin von uns generierte Triplemutanten, in denen alle drei APP -Genfamilienmitglieder inaktiviert wurden, überleben die Embryonalentwicklung und sterben kurz nach der Geburt. Während letale Doppelmutanten keinerlei morphologische Anomalien aufwiesen, zeigten die Gehirne der Triplemutanten einen der humanen Lissenzephalie Typ II ähnlichen Phänotyp, der durch ektope Ansammlungen von Neuroblasten gekennzeichnet war, welche die Basalmembran und die Pia Mater durchbrochen hatten.

Dieser Phänotyp deutet auf eine Rolle der APP-Genfamilie für die neuronale Zelladhäsion und/oder Migration hin. Diese Daten zeigen erstmals, daß Proteine der APP-Genfamilie eine essentielle Rolle für die Entwicklung des Gehirns spielen und für das postnatale Überleben essentiell sind (Herms et al., 2004, Anliker und Müller, 2006, siehe auf beigelegte Sonderdrucke).

Interessanterweise konnten wir kürzlich in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgrupe Kins zeigen, dass APP-Genfamilienmitglieder sowohl trans- als auch cis-Dimere bilden, und auf diese Weise die Zelladhäsion vermitteln (Soba et al., 2005). Diese Funktion ist möglicherweise auch für die Ausbildung, Stabilität und Funktion von synaptischen Kontakten wichtig. Darüberhinaus konnten wir zusammen mit Grimm et al. (2005) nachweisen, dass Ab Peptide eine essentielle physiologische Rolle für die Lipidhomeostase spielen.

Fig1: Frontalschnitt durch das Gehirn (Cortex) einer Triple-KO Maus an E 17.5 Auffallend ist eine prominente Ausstülpung (Protrusion P) der cortikalen Platte (CP). Ektope Neuronen sind aus der corticalen Platte heraus in die Marginalzone (MZ) eingewandert. Die cortikale Platte unterhalb der Ektopie zeigt eine massive Disorganisation. (adaptiert aus Herms et al., 2004)

1.2. In vivo Funktonsanalyse wichtiger APP Domänen: die sekretierte APPsa Ektodomäne vermittelt essentielle physiologische Funktionen von APP

Kürzlich haben wir Mausmutanten erzeugt, welche es erlauben die physiologische Funktion der APP Prozessierung und somit der verschiedenen APP Spaltprodukte (wie der sekretierten Ectodomäne APPsa, Ab und der intrazellulären Domäne AICD) zu untersuchen. Durch homologe Rekombination in embryonalen Stammzellen haben wir zwei Mauslinien erzeugt die C-terminal tverkürzte Deletionsvarianten von APP exprimieren: APPsa Knockin (KI) Mutanten exprimieren lediglich die sekretierte Ektodomäne APPsa, APPDCT15 KI-Mutanten exprimieren ein verkürztes APP-Protein dem die letzten 15 Aminsäuren und damit das YNPTY-Motiv fehlt (Ring et al., 2007).

Diese in APPDCT15 KI-Mutanten deletierete Domäne stellt eine wichtige Bindestelle für einen ganze Reihe von Proteinbindepartnern dar und ist darüberhinaus essentiell für die AICD vermittelte Signaltransduktion durch transkriptionelle Aktivierung. Interessanterweise konnten wir sodann zeigen, dass die DCT15-Deletion zu einer Reduktion des endogenen Turnovers von holoAPP, sowie zu einer erhöhten Oberflächenexpression und damit einhergehend einer massiv reduzierten Menge an Ab im Gehirn der Mausmutanten führt. Um nun zu analysieren welche APP Proteindomänen, bzw welches proteolytische APP-Fragment für die in vivo Funktionen von APP essentiell sind, haben wir sodann den Phänotyp der beiden Knockinmutanten mit dem Phänotyp der vollständig gendefizienten APP Knockoutmäuse (KO) verglichen. Das Schlüsselergebnis unserer Studie war, dass beide Knockin-Mutanten dazu in der Lage sind die funktionellen Defizite der Knockout-Mäuse zu rescuen.

Dies betraf insbesondere das bei KO-Tieren reduzierte Gehirn- und Körpergewicht, die reduzierte Muskelzugkraft, Veränderungen in der zirkadianen lokomotorischen Aktivität, Defizite des Explorationsverhaltens und besonders eindrücklich auch die bei KO-Tieren ausgeprägten Defizite im räumlichen Lernen und LTP (Ring et al., 2007).

Zusammenfassend belegen diese Daten die essentielle physiologische Funktion des sekretierten APPs-Fragments das ausreichend erscheint, die hier getesteten (postnatalen) APP-Funktionen zu erfüllen. Diese Daten belegen insbesondere, die wichtige funktionelle Rolle von APPsa für Lernen und synaptische Plastizität. Dies legt wiederum den Schluss nahe, dass ein Verlust der APPsa-Funktion, bedingt durch abnorme APP Prozessierung und verminderte a-Sekretaseaktivität, während der fortschreitenden Alzheimererkrankung möglicherweise unmittelbar zur Pathogenese beiträgt. Somit erscheint eine Stimulierung oder Überexpression der a-Sekretaseaktivität als ein sehr atraktives therapeutisches Konzept gegen AD.

2. Projektbeschreibung

Das Preisgeld soll im Rahmen unserer Projekte zum Verständnis der physiologischen und pathologischen Funktionen der APP-Genfamilie eingesetzt werden.

Hierbei möchten wir folgende Fragestellungen untersuchen:

  • Welches sind die genspezifischen Funktionen der einzelnen Familienmitglieder im Nervensystem und in den übrigen Geweben, in denen diese ubiquitären Proteine exprimiert werden? Inwieweit sind diese Funktionen überlappend und redundant?
  • Welche Rolle spielen Proteine der APP-Genfamilie im Nervensystem, insbesondere für die neuronale Differenzierung, die Entwicklung/Funktion von Synapsen, Prozesse der synaptischen Plastizität, sowie für lernen und Gedächtnis?)
  • Welche Rolle spielen Proteine der APP-Genfamilie im adulten Nervensystem und im Rahmen von Alterungsprozessen?
  • Welche strukturellen Domänen von APP besitzen physiologische Relevanz? Ist die proteolytische Prozessierung von APP wichtig für die normale zellbiologische Funktion?
  • Welche genetischen und molekularen Interaktionspartner spielen eine Rolle und welche Signaltransduktionsmechanismen sind involviert?

2.1. Die Rolle verschiedener APP Fragmente/Domänen im Nervensystem
Unsere Analyse des Phänotyps der APPsa Knockin-Mutanten (Ring et al., 2007), zeigte eindrücklich dass APPsα essentielle postnatale Funktionen, z. B für Lernen und Gedächtnis besitzt. Es ist jedoch nun entscheidend zu testen, ob und in welcher Hinsicht APLP2 (welches in diesen APPsa-Mutanten normal exprimirt wird) in diesen Mutanten den Verlust bestimmter APP Funktionen übernehmen konnte.

Als erstes wollten wir daher die Frage beantworten ob die verkürzten APPsα und DCT15-Varianten ausreichend sind die postnatale Letalität der APP/APLP2-Dopplenknockouts zu kompensieren. Wir haben daher kürzlich die APP-KI Mutanten auf einen APLP2-defizienten APLP2-KO Hintergrund gekreuzt. Preliminäre Analysen zeigten hierbei, dass 50-60% der APP-KI/APLP2-KO Mäuse in der Tat lebensfähig sind und neuromuskuläre Defizite aufweisen. Geplant ist nun eine detailierte Phänotypisierung dieser kombinierten Mausmutanten im Hinblick auf die Morphologie und Funktion des CNS und der neuromuskulären Endplatte (NMJ).

Im Fokus unserer Analysen stehen hierbei mögliche Funktionen der APP-Genfamilie für die Entwicklung und Stabilität von Synapsen (Hippocampus, NMJ), die synaptische Übertragung (im Hippocampus und an der NMJ) und Prozesse der synaptischen Plastizität. Diese Fragestellungen werden wir in Kolaboration mit Elektrophysiologen bearbeiten. Ein weiterer Schwerpunkt wird die Analyse des Verhaltensphänotyps in motorischen Tests sowie in Test für Kognition, Lernen und Gedächtnis sein. Darüberhinaus ist geplant weitere Mausmutanten mit spezifischen Deletionen/Veränderungen einzelner APP-Domänen zu generieren.

2.2. Generierung gewebespezifischer und induzierbarer Knockoutmäuse
Bedingt durch die postnatale Letalität der APP/APLP2-Doppleknockouts ist es bisher nicht möglich die Funktionen der APP-Genfamilienmitglieder in postnatalen Stadien sowie im adulten und alternden Organismus zu untersuchen. Um diese Lethalität zu umgehen sind wir daher dabei gewebespezifische und induzierbare Knockoutmäuse für APP und APLP2, bzw. kombinierte Mausmutanten zu erzeugen. Hierzu wollen wir uns des Cre-loxP Systems bedienen und Mäuse mit gefloxten APP (oder APLP2) Allelen mit gewebespezifischen Cre-Transgenen verkreuzen. Geplant ist insbesondere die Verwendung von neuronen-spezifischen Cre-Linien, bzw. Cre-Linien die lediglich in bestimmten Gehirnregionen (Cortex. Hippocampus) postnatal exprimiert werden.

2.3. Die Rolle der APP-abhängigen Genexpression
Die proteolytische Prozessierung von APP weist eine Reihe von Gemeinsamkeiten mit Prozessierung von Notch auf und es gibt inbesondere Daten die eine Mögliche Funktion von AICD als Transkriptionsfaktor belegen. Welche endogenen Targetgene hierbei eine wichtige Rolle spielen wird gegenwärtig kontrovers diskutiert.

Über einen Array-basierten Ansatz haben wir kürzlich Gene identifiziert die in Geweben (z. B. Cortex, Hippocampus) unserer Einzel- und kombinierten Mausmutanten differentiell exprimiert werden und auf diese Weise mehrere zelluläre Pathways identifiziert an denen APP/APLP beteiligt sind. Gegenwärtig sind wir dabei mehrere dieser Kandidatengene (u. a. Neurotransmitterrezeptoren, Zelladhäsionsmoleküle, Transkriptions- faktoren) funktionell zu validieren. Hierbei interessieren wir uns insbesondere dafür, ob diese Targetgene direkt über einen AICD-vermittelten Mechanismus transkriptionell aktiviert werden oder indirekte Effekte der APP/APLP Gendefizienz zu einer differentiellen Expression führen.

2.4. Identifikation extrazellulärer und intrazellulärer Interaktionspartner
Für APP wurde seit langem eine Funktion als Transmembranrezeptor postuliert. Dennoch sind bisher nur wenige extrazelluläre Interaktoren identifiziert, die möglicherweise die Prozessierung von APP sowie APP-abhängige Signalkaskaden modulieren. Wir sind daher gegenwärtig dabei weitere Bindepartner/ Liganden in Interaktionsscreens zu identifizieren (Proteomics, pull down, Immunpräzipitation und membrane- based yeat-two hybrid) und im Anschluss funktionell zu validieren.

 

Ausgewählte Publikationen

Anliker, B. and Müller, U. (2006). The functions of the mammalian amyloid precursor protein and related amyloid precursor-like proteins. Neurodegenerative Diseases 3, 239-246.

Caille, I., Alliquant, B., Dupont, E., Bouillot, C., Langer, A., Müller, U. and Pronchiantz, A. (2004). Soluble form of Amyloid precursor protein regulates proliferation of Progenitors in the adult subventricular zone. Development, 131, 2173.

Grimm MO, Grimm HS, Patzold AJ, Zinser EG, Halonen R, Duering M, Tschape JA, De Strooper B, Muller U, Shen J, Hartmann T (2005) Regulation of cholesterol and sphingomyelin metabolism by amyloid-beta and presenilin. Nat Cell Biol, 7,1118-1123.

Heber, S., Herms, J., Gajic, V., Hainfellner, J., Aguzzi, A., Rülicke, T., Kretzschmar, H., von Koch, C., Sisodia, S., Tremml, P., Lipp, H.-P., Wolfer, D. P. and Müller, U. (2000). Mice with combined gene knockouts reveal essential and partially redundant functions of Amyloid precursor protein family members. Journal of Neuroscience 20, 7951-7963.

Hebert SS, Serneels L, Tolia A, Craessaerts K, Derks C, Filippov MA, Muller U, De Strooper B (2006) Regulated intramembrane proteolysis of amyloid precursor protein and regulation of expression of putative target genes. EMBO Rep, 7,739-745.

Herms, J., Anliker, B., Heber, S., Ring. S., Fuhrmann, M., Kretzschmar, H., Sisodia, S. and Müller, U. (2004). Cortical Dysplasia Resembling Human Type 2 Lissencephaly in Mice Lacking all Three APP-Family Members. The EMBO J. 23, 4106 – 4115

Pardossi-Piquard, R. Petit, A., Kawarai, T., Sunyach, C. Alvers da Costa, C. Vincent, B., St. Ring, S. , DÁdamio, L., Shen, J., Müller, U., George Hyslop, P. and Checler, F. (2005). Presenilin-dependent transcriptional control of the Ab degrading enzyme neprilysin by intracellular domains of bAPP and APLP. Neuron, 46, 541-554

Ring. S, Weyer, S., Kilian, S. B., Waldron, E., Pietrzik, C. U., Filippov, M., Herms, J., Buchholz, C., Eckman, C. B., Martin Korte, M., Wolfer, D. P. and Müller, U. (2007) The secreted APPsα domain is sufficient to rescue the anatomical, behavioral, and electrophysiological abnormalities of APP deficient mice J. Neuroscience, 27, 7817-7826

Soba, P. , Eggert, S., Zentgraf, H., Siehl, K., Kreger, S., Löwer,A., Langer, A., Merdes, G., Paro, R.,. Masters, C. L., Müller,U., Kins, S. and Konrad Beyreuther. (2005) Homo- and hetero-dimerization of APP family members promotes intercellular adhesion. EMBO J., 24, 3624-3634

 

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