Forschung

Die Vision des CD Labors ist es die Produktion von rAAV zur Gentherapie vom kostenintensiven, Empirie-getriebenen Ansatz zu einer wissens- und modellbasierten Prozessentwicklung und Produktion zu führen. Dazu braucht es profundes Verständnis von Zusammenhängen wie Ziellinien, therapeutischen Gene oder Prozessbedingungen miteinander interagieren und die Qualität und Menge an rAAV beeinflussen. Wir werden Analysen ausbauen, die eine genaue Charakterisierung von rAAV und Verunreinigungen ermöglichen. Eine der wichtigsten Aufgaben wird hier die Differenzierung zwischen mit therapeutischer DNA beladenen und leeren rAAVs sein, nachdem unterschiedliche Zelllinien und verschiedenen therapeutische Gene zu stark variierenden Verhältnissen zwischen diesen Varianten führen. Die Überprüfung der Produktqualität wird zurzeit mittels Analysen im Anschluss an den Prozess durchgeführt. Solche Analysen sind zeit-und kostenintensiv, und verlangen Stehzeiten im Prozess. Sie liefern nur rückblickend Informationen und können daher nicht zur Prozesssteuerung verwendet werden. Daher werden Sensoren untersucht, die während des Prozesses wichtige Prozessparameter aufzeichnen und Information über dessen Verlauf liefern. Das erlaubt die Prozessüberwachung und -steuerung d.h. ein Eingreifen in den Prozess zur Sicherung der gewünschten Qualität. Diese Vorgehensweise erhöht nicht nur die Sicherheit der Prozesse, sondern auch deren Effizienz. Um ein systematisches Verständnis wichtiger Parameter und deren Zusammenspiel zu erarbeiten, werden verschiedene HEK Ziellinien untersucht und genomweite Analysen der Zellantwort auf die Virusproduktion erhoben. Darauf basierende werden Strategien zur Verbesserung der rAAV Ausbeute und deren Qualität entwickelt. Optimierte Zellinien and Prozessierungstrategien in den Produktionsmaßstab zu bringen ist ein mehrstufiger zeit-und kostenintensiver Prozess. Der kleinste zur Zeit für die Prozessentwicklung von rAAV Produktion zur Verfügung stehende Maßstab ist der Labormaßstab, der auf Grund des relativ hohen Materialaufwandes nur eine limitierte Anzahl an Experimenten zulässt. Nur eine miniaturisierte Prozessentwicklungsplattform ermöglicht einen integrierten Ansatz zur Untersuchung von Zusammenhängen zwischen Prozessschritten oder Up und Downstream Processing. Diese wird daher für die Prozessentwicklung von rAAV aufgesetzt und wird alle relevanten Schritte der Zellkultivierung und des Downstream Processing umfassen. Beispielhaft wird schließlich ein optimierter Prozess auf dieser Plattform erarbeitet und mit einem derzeitigen Prozess verglichen.

A major obstacle to drug development in pediatric cancers is a lack of pre-clinical models recapitulating the human disease due to incomplete knowledge of tissue origin. This is specifically true for Ewing sarcoma (EwS) which is caused by EWSR1/ETS gene rearrangements. Mesenchymal stem cells (MSC) have been proposed as candidate cell types of origin, however, targeting of EWS-FLI1 to the bone mesenchymal lineage during mouse embryogenesis so far failed to result in tumorigenesis. Little is known about the precise developmental trajectories of different MSC cell types during normal and perturbed differentiation. In this project, we will follow three approaches to decipher the tissue and differentiation state of origin for EwS: i) Based on single-cell transcriptome analyses, we will establish the first time- and lineage-resolved single-cell reference atlas of human MSC development, naïve and along induced differentiation. We will then pinpoint alteration of normal differentiation trajectories after inducing ectopic EWS-FLI1 expression to define the cell type, differentiation stage, and chromatin architecture resembling EwS the closest and trace back the development of EwS tumor cells from single-cell and bulk analysis of EwS tumor samples by aligning them to the MSC differentiation reference atlas. ii) Based on the observation that the cancer epigenome retains memory of the tissue of origin in its enhancer usage, we will screen for convergence in trans-species activity of these enhancers on specific cell types and developmental stages during zebrafish development. Using these enhancers to irreversibly switch-on fluorescent reporter activity by Cre-mediated recombination, we will follow the developmental fate of these cells into adulthood. iii) Finally, we will perform lineage tracing experiments of rare EwS-like tumors developing in zebrafish with mosaic EWS-FLI1 expression to identify cell types permissive for EWS-FLI1 mediated transformation.

Die Zuckerrübe (Beta vulgaris ssp. vulgaris) ist eine relative junge Nutzpflanze, welche von der Wild Rübe (Beta vulgaris ssp. maritima) abstammt, einer in West- und Südeuropa beheimateten Küstenpflanze. Transposons haben einen massiven Einfluss auf die Genomstruktur und der Funktionalität von Genen. Von den vielen verschiedenen Transposons und repetitiven Elementen, die in einem Genom enthalten sind, ist nur eine kleine Teilmenge intakt und voll funktionsfähig. Selbst dieser kleine Anteil hat eine große Einflussnahme auf das Genom, durch dem alternativen Splicing von Genen, der Einführung von neuen Promotoren, geänderten Genregulierung oder durch die Inaktivierung von Genfunktionen. Diese Änderungen haben schlussendlich auch Einfluss auf den Phänotyp der Rüben. Das Genom ist nicht statisch, sondern in ständiger Bewegung: Transposons werden an neuen Positionen im Genom eingefügt; danach wirken Selektions- und Mutationsprozesse auf sie ein. Repetitive Elemente, die sich negativ auf den Organismus auswirken, verschwinden schnell, während andere, die sich neutral zeigen oder sogar nützlich sind, erhalten bleiben. Durch den Vergleich verschiedener Genomsequenzdaten der domestizierter Zuckerrübe und ihrer wilden Verwandten bewerten wir die mutagenen Ereignisse, die in der jüngeren evolutionären Vergangenheit im Rübengenom stattgefunden haben, und untersuchen die Rolle, die Transposons bei der Evolution des Rübengenoms gespielt haben. Erkenntnisse über das Rübengenom und der repetitiven Genomlandschaf können neue Erkenntnisse über die jüngste Genomentwicklung der Zuckerrübe liefern und eine Grundlage für deren weitere Verbesserungen als Kulturpflanze bilden.