Personalisierte Adipositas-Prävention PAP-MV2022   
     
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  02/2018  
  - Projektskizze -

 
 

Präambel: Philosophie des Verbundes PAP-MV2022:

Unsere PAP-MV2022 Initiative mit dem Titel "Personalisierte Adipositas Prävention: Vom Brainotyp zum gesunden Lebensstil" (www.epinostics.de/PAP-MV2022) betont, dass bestimmte an der Adipositas beteiligte Prozesse und Vorgänge gehirnspezifischer Natur sind und deren Aufklärung neben der Rolle des Stoffwechseltyps eine fundamentale Bedeutung in der zukünftigen Adipositas Prävention erlangen könnte, siehe Abb.1. Mit dem Begriff Brainotyp bringt unsere Konzeption zum Ausdruck, dass die Adipositas eigentlich eine systemische Fehlsteuerung in der mentalen Leistung der menschlichen Population darstellt. Der menschliche Körper mit seinem Genom konnte sich innerhalb weniger Generationen hinsichtlich des Stoffwechsels und Essverhaltens nicht an die veränderten Lebensbedingungen der zivilisierten Welt anpassen. Der Artikel von Speakman "Body Fatness" (Speakman 2014) verdeutlicht (in Abb. 1 adaptiert), wie komplex unser Essverhalten geregelt ist. Unsere PAP-MV2022 Konzeption zur Personalisierten Adipositas Prävention hat das Ziel, mit partizipatorischer Unterstützung der Probanden über Ganzgenomanalysen Adipositas assoziierte Brainotypen (Persönlichkeitsstrukturen mit genetischer Komponente) zu bestimmen und therapeutischnutzbar zu machen.

Abbildung 1
John R. Speakman, PHYSIOLOGY 29: 88-98, 2014

MV Excellenz-Initiative PAP-MV2022: Vom Brainotyp zum gesunden Lebensstil

Die weltweite gesellschaftspolitische Relevanz der Adipositas ergibt aus der WHO Mitteilung vom 11.10.2017. (http://www.who.int/mediacentre/news/releases/2017/increase-childhood-obesity/en/).Die Anzahl adipöser Kinder und Heranwachsender hat sich im Alter von 5 bis 19 Jahren in den letzten 40 Jahren um mehr als das Zehnfache auf 124 Millionen in 2016 erhöht. übergewicht ist assoziiert mit ischämischer Herzerkrankungen (23% der Fälle), Schlafapnoe (77%), Typ II Diabetes (26%), Asthma (23%), Arthrose (44%), Bluthochdruck (51%) und Krebs (52%) (Mokdad 2003; Calle 2003). Die Behandlung Adipositas assoziierter Komorbiditäten stellt gesundheitswirtschaftlich eines der größten Kostenverursacher im deutschen Gesundheitssystem dar. Frauen mit Adipositas weisen in der Schwangerschaft ein erhöhtes Risiko für die Entwicklung einer schwangerschaftsinduzierten Hypertonie, Präeklampsie und Gestationsdiabetes auf. Das Auftreten dieser schwangerschaftsassoziierten Erkrankungen ist mit einem erhöhten Langzeitrisiko für die Entwicklung kardiovaskulärer Erkrankungen und eines Diabetes mellitus assoziiert. über erhöhte hochsensitive CRP-Werte lassen sich ungesunde und gesunde Adipöse unterscheiden. Hinsichtlich Konstitutionstypen unterteilen sich übergewichtige vom äußeren Aspekt in einen Birnen- oder Apfeltyp. Der Apfeltyp hat eine viszeral betonte Adipositas und ist eher multimorbide -also Diabetes Typ II, Fettleberhepatitis, Dyslipidämie gefährdet. Birnentypen sind "gesünder", allerdings zeigen auch diese Adipösen nach längerer Fettleibigkeit alle Komplikationen.

Calle EE, Rodriguez C, Walker-Thurmond K, Thun MJ. Overweight, obesity, and mortality from cancer in a prospectively studied cohort of U.S. adults. N Engl J Med. 2003; 348(17):1625-38.

Mokdad AH, Ford ES, Bowman BA, Dietz WH, Vinicor F, Bales VS, Marks JS. Prevalence of obesity, diabetes, and obesity-related health risk factors, 2001.JAMA. 2003; 289(1):76-9.

Speakman JR. If body fatness is under physiological regulation, then how come we have an obesity epidemic? Physiology (Bethesda). 2014;29(2):88-98.

Stand der Forschung

Genetische Grundlagen der Nährstoffutilisation
Die Entwicklung und der Stoffwechsel von weißem Fettgewebe haben einen hohen wissenschaftlichen Stellenwert, vor allem wegen der Auswirkungen von Adipositas auf die menschliche Gesundheit. Fettleibigkeit und adipositasbedingte Krankheiten wie Diabetes, Bluthochdruck und Herzkrankheiten erreichen weltweit epidemische Ausmaße mit gravierenden Folgen, insbesondere in Industrieländern (WHO, 2016).

Mehrere Hypothesen werden diskutiert, die unterschiedliche Erklärungen für die genetische Manifestation von Fettleibigkeit beim Menschen liefern (übersichtsartikel von Walley 2009). Einig ist man sich darüber, dass Fettleibigkeit ein hochgradig polygenes Merkmal ist; Schätzungen der Vererbbarkeit von Adipositas-assoziierten Phänotypen (z. B. Body-Mass-Index; BMI) beim Menschen weisen einen Anteil von 30-70% der Genetik an der phänotypischen Variation aus (Yang, 2015). Das komplexe Krankheitsbild beruht, neben seltenen Formen der Adipositas, die durch monogene Hochrisikomutationen verursacht werden, auf polygenen und Umweltfaktoren - Lebensstil und Ernährungsgewohnheiten. Die permanente Verfügbarkeit und der ständige Verbrauch von energieintensiven Nahrungsmitteln in Verbindung mit geringer körperlicher Aktivität, bedingen ein chronisches Ungleichgewicht zwischen Energiezufuhr und -verbrauch (Ogden, 2014). Grundlegende Stoffwechselvorgänge und begleitende genetische Grundlagen, die bei der ätiologie von Adipositas und Adipositas-assoziierten Erkrankungen eine Rolle spielen, sind bei allen Säugetierarten analog. Insbesondere Schweine, mit einem dem Menschen ähnlichen Stoffwechsel, stellen ein gutes Model dar, das typischerweise über die gesamte Lebenszeit eine kalorienreiche Ernährung und gleichzeitig geringe körperliche Aktivität aufweist. Die Populationsstruktur und die kontinuierliche phänotypische Bewertung der Tiere erlauben grundlegende molekulare Mechanismen aufzuklären, sowie Veränderungen des Fettstoffwechsels auf genetische Faktoren zurückzuführen.

Genetische Untersuchungen beim Mensch und Tier ergaben eine Reihe von Genen (z.B. MC4R, LEP, FTO), die die Fettablagerung und das Vorkommen und die Dimension der Adipositas, die Futteraufnahme/Appetits und der Energiehomeostasis beeinflussen (Yazdi 2015; Switonski 2010, van der Klaauw 2015).

Beim Schwein wird als Parameter der Futtereffizienz der sogenannte "residual feed intake, RFI" definiert. Es ist die über den aufgrund des Grund- und Leistungsumsatzes zu berechneten Nährstoffbedarfs hinausgehende Futteraufnahme. Dieser Parameter ist im Gegensatz zur Futterverwertung (kg Futter/kg Zunahme, FCR) unabhängig von der Futteraufnahme und Wachstum, sondern erfasst intrinsische metabolische Faktoren des Nährstoffumsatzes und ansatzes. Die Heritabilität von Merkmalen der Futtereffizienz ist moderat (h²= 0,3-0,4; Do, 2013). Analysen der genetischen Parameter von Merkmalen der Futtereffizienz zeigen hohe Korrelationen zwischen den RFI und FCR und der täglichen Futteraufnahme. Futtereffizienz ist von systemischen Prozessen abhängig: (i) die Regulierung des Appetits über den Hypothalamus und Hormone des Verdauungstraktes, (ii) Verdauungs- und Absorptionsprozesse (Mikrobiom) im Darm, (iii) die Aufteilung und Verstoffwechselung von Nährstoffen in der Leber und (iv) die Akkumulation von Muskel- und Fettgewebe. Insbesondere spielt die Leber eine zentrale Rolle bei der quantitativen und qualitativen Verwertung der aufgenommenen Nährstoffe, einschließlich Speicherung, De-novo-Synthese und Wiederverwertung von Nährstoffen. Makronährstoffe werden in der Leber metabolisiert, wodurch im Blut eine weitgehend konstante Nährstoffkonzentration gewährleistet wird. Die Leber ist daher in der Lage, Nährstoffe für die spätere Freisetzung in das Blut zu speichern (z. B. Triacylglycerole), besitzt aber auch Synthesekapazitäten (z. B. Ketonkörper).

Do DN, Strathe AB, Jensen J, Mark T, Kadarmideen HN. Genetic parameters for different measures of feed efficiency and related traits in boars of three pig breeds. J Anim Sci 2013; 91: 4069-4079.

Ogden CL., Kit BK, Fakhouri THI, Carroll MD, Flegal KM. in GI Epidemiology 2014; 394-404; John Wiley & Sons, Ltd, 2014.

van der Klaauw AA, Farooqi IS. The Hunger Genes: Pathways to Obesity. Cell 2015; 161: 119-132.

Walley A J, Asher J E, Froguel P. The genetic contribution to non-syndromic human obesity. Nat Rev Genet 2009; 10: 431-442.

World Health Organization. Fact sheet: Obesity and Overweight. Available at: http://www.who.int/ mediacentre / factsheets /fs311/en/. Accessed Oct 2017.

Yazdi FT, Clee SM, Meyre D. Obesity genetics in mouse and human: back and forth, and back again. PeerJ 2015; 3: e856.

Yang J, Bakshi A, Zhu Z, Hemani G, Vinkhuyzen AA, Lee SH, Robinson MR, Perry JR, Nolte IM, van Vliet-Ostaptchouk JV, Snieder H; LifeLines Cohort Study, Esko T, Milani L, Mägi R, Metspalu A, Hamsten A, Magnusson PK, Pedersen NL, Ingelsson E, Soranzo N, Keller MC, Wray NR, Goddard ME, Visscher PM. Genetic variance estimation with imputed variants finds negligible missing heritability for human height and body mass index. Nat Genet 2015; 47: 1114-1120.

Ernährungsstudie am HRO Proband HRO-01:

Der Grundumsatz in kcal errechnet sich beim Menschen in Körpergröße (cm) minus 100 x Faktor (Faktor zwischen 21-24 je nach körperlicher Aktivität ). Der Energieumsatz in kcal wäre Grundumsatz x Faktor (zwischen 1,2-6; je nach körperlicher Tätigkeit). Eine Adipositas tritt dann auf, wenn man z.B. jeden Tag 30-40 kcal zu viel zu sich nimmt (1 Stück Konfekt 48kcal) bzw. seinen Kalorienbedarf hinsichtlich geringerer körperlicher Aktivität bei änderung des eigenen Lebensstils nicht anpasst. Der glykämische Index (GI) ist ein Maß zur Bestimmung der Wirkung eines kohlenhydrathaltigen Lebensmittels auf den Blutzuckerspiegel. Je höher der Wert ist, desto mehr Zucker ist im Blut. Die aktuellen änderungen der EU Zuckermarktregelungen lassen erwarten, dass der Anteil an aus Mais gewonnener Fruktose, Isoglukose, sich in unserer Nahrung demnächst erhöhen wird. Der Konsum von `High-fructose corn syrup (HFCS)´ als Süßungsmittel führt zu einer überladung mit Fruktose und steht im Zusammenhang mit der Adipositas-Prävalenz (Payne, 2012). Als Nahrungskarenz wird der Verzicht auf Nahrung für eine bestimmte Zeit bezeichnet. Nach wie viel Stunden der Nahrungskarenz setzt die Fettsäure-Mobilisierung ein (Lipolyse), Mensch versus Tier (Modell HRO Proband) wird in A1-M1.4 adressiert. Im Mittelpunkt der PAP-MV2022 Initiative steht die Nutzung des intermittierenden Fastens mit einer zeitbegrenzenden Nahrungskarenz von 16 Stunden (Moro 2016). Das intermittierende Fasten kann zur Folge haben, dass damit auch eine Kalorienreduktion einhergeht, da die Zeit zur Nahrungsaufnahme eingeschränkt wird. (http://www.instyle.de/lifestyle/intermittierendes-fasten-diaet). Hinsichtlich einer zeitbegrenzten Nahrungskarenz stellt sich die Frage, wie eine 16/8 Diät (16h Nahrungskarenz, 8 Stunden Essenszeit) ausgestaltet werden sollte. Der Proband HRO-01 hat vorrangig nur abends gegessen (18 Uhr - 22 Uhr), aber dann über ca. 2-3 Stunden verteilt. In Anlehnung an Individuen, die einen anderen Circadian-Rhythmus bzw. Schlafrhythmus (Lerche versus Eule) haben, ist anzunehmen, dass die zeitliche befristete Nahrungskarenz angepasst realisiert werden sollte. Weiterhin ist zu prüfen, inwieweit eine Nahrungsumstellung (weniger Zucker, mehr Eiweiß) erfolgen sollte, um Hungerzeiten besser überwinden zu können, bzw. die Fettsäure-Mobilisation effizienter steigern zu können. Der Body-Maß-Index (BMI), ein geeigneter Parameter um Fettleibigkeit beim Probanden HRO-01 zu messen, wäre mit 28,0 nach der World Health Organisation im Alterssegment von 55 Jahren bis 64 Jahren noch normalgewichtig. Der HRO Proband HRO-01, dessen Genom bereits sequenziert wurde, wiegt zur Zeit morgens gemessen 107,9 kg bei einer Größe von 195 cm, dies ergibt einen BMI von 28,38. Da dieser Proband seit einiger Zeit die 16/8 Diät stringent anwendet, ist er bereit, sich auch für Messungen seines Blutzuckers und anderer Parameter unter Laborbedingungen zur Verfügung zu stellen, bzw., kontinuierliche Gewebezuckermessungen mit dem FreeStyle Libre Flash Glukose Messsystem nach standardisierter Nahrungsaufnahme in Verbindung mit einem Bewegungstracker durchzuführen, so dass es möglich sein wird, den Einfluss von unterschiedlichen Diäten auf seinen Gewebezuckergehalt tageweise bis zu 14 Tagen zu verfolgen. Gleichzeitig nimmt der Proband seit März 2016, wöchentlich am Elektromyostimulations- (EMS) Training) teil. Seine Nahrungsrestriktionen sind: Niemals kohlensäurehaltige Getränke, keinen Kaffee, keinen Alkohol, Wein nur bei besonderen Anlässen, Vollkornbrot, keine Marmelade, wenig Zucker, wenig Salz, viel Joghurt, viel Käse, keine Fertiggerichte.

Moro T et. al, Effects of eight weeks of time-restricted feeding (16/8) on basal metabolism, maximal strength, body composition, inflammation, and cardiovascular risk factors in resistance-trained males. J Transl Med. 2016;14(1):290.

Payne AN, Chassard C, Lacroix C. Gut microbial adaptation to dietary consumption of fructose, artificial sweeteners and sugar alcohols: implications for host-microbe interactions contributing to obesity. Obes Rev. 2012;13(9):799-809.

Epigenetische Mechanismen und Prägung des Metabolismus

Vergleichende Sequenzierung ganzer Genome verschiedener Populationen haben Spuren unterschiedlicher Entwicklungs-, Domestikationsund Selektionsgeschichte in Genomregionen angezeigt, die mit der Ausprägung von Merkmalen, die natürlicher oder künstlicher Selektion unterlagen, assoziiert sind. Veränderung der DNA-Sequenz und epigenetische Variation trägt dabei zur phänotypischen Variation bei. Epigenetische Variation liegt nicht nur individueller Variation zugrunde, sondern auch Populationsunterschieden etwa im Human Variation Panel (Grundberg 2013; Heyn 2013). Variable DNA-Methylierung erfolgt als Reaktion auf exogene Faktoren oder zufällig, und kann zur Etablierung von epigenetischen Allelen (Epiallelen; Single-Methylierungs-Polymorphismus, SMP) führen, die mit einer höheren Rate entstehen als Einzel-Nukleotid-Polymorphismen (SNPs). Desaminierung von Methyl-Cytosin führt zur änderung von C nach T in der DNA-Sequenz; ein SMP wird ein SNP. Epigenetische Mechanismen sind Vermittler zwischen Umwelt und Genotyp, wichtige Faktoren in der Evolution und Quelle der Vielfalt in natürlichen Populationen (Richards, 2006).
Epigenetische Mechanismen, dies schließt die Regulation durch nicht-kodierende RNAs ein, bedingen Veränderungen der Genaktivität, die nicht auf der Variation der Nukleotidsequenz beruhen, sondern auf chemischen Modifikationen der DNA und des Chromatins (DNA-Methylierung, Histon-Acetylierung u.a) zurückzuführen sind. Der Beitrag des Epigenoms zur Biodiversität hat bedeutende Implikationen für die Nutztierhaltung; tatsächlich erklären epigenetische Veränderungen teilweise die allein auf DNA-Sequenz-Variation nicht zu erklärenden Erblichkeit von komplexen Merkmalen ("missing heritability") (Slatkin, 2009).

Generationsübergreifende Vererbung:
Ungünstige Umwelteinflüsse während der fetalen Entwicklung bewirken eine intrauterine adaptive Antwort mit langfristigen Konsequenzen auf Wachstum, Funktion und Struktur verschiedener Gewebe der Nachkommen. Diese Zusammenhänge werden als "Fetale Programmierung" bezeichnet. So stellt eine unangepasste maternale Versorgung während der Gestation einen Umweltfaktor dar, der sowohl physiologische Signalwege beeinflusst als auch phänotypische Anpassungen bei Nachkommen hervorruft (Hales and Baker, 1992; Wu 2006).Ein veränderter postnataler Phänotyp als Folge von ernährungsabhängiger, fetaler Programmierung legt nahe, dass es dafür eine Art Gedächtnis gibt, welches dafür sorgt, dass in einer sehr frühen Entwicklungsphase gesetzte Signale zu einem späteren Zeitpunkt zur Wirkung kommen und eine Programmierung von Signal- und Stoffwechselwegen bedingen. Diese änderungen sind dynamisch und dienen als Anpassungsmechanismus an einer Vielzahl von Umweltfaktoren wie Ernährung oder Klima. Modifikationen der DNA-Methylierung modulieren dabei die Genexpression (Lillycrop, 2005; Junien, 2006).
Die Entstehung von transienten und permanenten epigenetische Markierungen aufgrund variabler Nährstoffversorgung, auch während der in-utero Entwicklung, wurden in epidemiologischen Studien beim Mensch und experimentell bei Nager- und Nutztiermodellen gezeigt und es gibt immer mehr Hinweise für generationsübergreifenden Vererbung der epigenetischen Modifikationen. Epigenetische Prozesse stellen sowohl Kennzeichen von als auch ursächliche Faktoren für metabolische Erkrankungen dar, siehe insbesondere AP6.

Nachhaltigkeit

Die Mechanismen der Merkmalsausprägung unterliegen demnach entlang der Ebenen der Genotyp-Phänotyp-Abbildung vielfältigen Einflüssen und Interaktionen; dabei stellen epigenetische Mechanismen eine Rückkopplung der Umwelt auf die Ebene des Genoms dar und beeinflussen die mitotische und z.T. transgenerationelle Vererbung. Die Analyse von Genotyp-Umwelt-Interaktionen, deren molekulare Grundlagen auch epigenetische und damit dynamische Mechanismen sind, ist in der Humanmedizin Voraussetzung für die Entwicklung der personalisierten Prävention und Therapie ("precision/personalized medicine"). In der Nutztierhaltung sind präzise Kenntnisse der Mechanismen der Genotyp-Umwelt-Interaktion Voraussetzung für tierindividuelle und situative Versorgung der Tiere zur Verbesserung des Tierwohls und der Ressourcenschonung ("precision livestock farming"). Die gezielte Nutzung von epigenetischen Modifikationen erlaubt es die Bedürfnisse der Tiere und ihre Umwelt besser in Einklang zu bringen.

Literaturzitate
Grundberg E, Meduri E, Sandling JK, Hedman AK, Keildson S, Buil A, Busche S, Yuan W, Nisbet J, Sekowska M, Wilk A, Barrett A, Small KS, Ge B, Caron M, Shin SY, Multiple Tissue Human Expression Resource Consortium, Lathrop M, Dermitzakis ET, McCarthy MI, Spector TD, Bell JT, Deloukas P. Global analysis of DNA methylation variation in adipose tissue from twins reveals links to disease-associated variants in distal regulatory elements. Am J Hum Genet 2013; 93(5):876-90

Hales CN, Barker DJ. Type 2 (non-insulin-dependent) diabetes mellitus: the thrifty phenotype hypothesis. Diabetologia 1992; 35: 595-601.

Heyn H, Moran S, Hernando-Herraez I, Sayols S, Gomez A, Sandoval J, Monk D, Hata K, Marques-Bonet T, Wang L, Esteller M. DNA methylation contributes to natural human variation. Genome Res 2013; 23(9):1363-72

Junien C. Impact of diets and nutrients/drugs on early epigenetic programming. JIMD 2006; 29: 359-65.

Lillycrop KA, Phillips ES, Jackson AA, Hanson MA, Burdge GC. Dietary protein restriction of pregnant rats induces and folic acid supplementation prevents epigenetic modification of hepatic gene expression in the offspring. J Nutrition 2005; 135:1382-86.

Richards EJ. Inheritedepigeneticvariation-revisiting soft inheritance. Nat Rev Genet 2006; 7(5):395-401.

Slatkin M. Epigenetic Inheritance and the Missing Heritability Problem. Genetics 2009; 182: 845-50

Wu G, Bazer F, Wallace J, Spencer T. Board-invited review: intrauterine growth retardation: implications for the animal sciences. J Anim Sci 2006; 84: 2316-37.

Mikrobiom: Interaktion Wirt, Mikrobiota und Diät

Ein komplexes Zusammenspiel besteht zwischen Nahrungsfaktoren, Darmmikrobiota und dem lokalen und systemischen Phänom des Wirts. Einerseits formen phänotypische und genetische Variation des Wirts die Mikrobiota-Zusammensetzung; in der Tat kann die Mikrobiota als ein genetisch vererbter Phänotyp des Tieres angesehen werden (Camarinha-Silva 2017). Andererseits beeinflusst die Mikrobiota den Phänotyp des Wirts. Folglich kann die Mikrobiota als prädiktive unabhängige Variable für Wachstum, Futteraufnahme und Futterverwertung verwendet werden (Camarinha-Silva 2017). Die miRNAs des Wirtes interagieren mit Bindungsstellen auf 16S ribosomaler RNA von Lactobacillus reuteri, Prevotella stercorea und Streptococcus luteciae, die im Kot überrepräsentiert waren (Mohan 2016). Die Diät hat wesentlichen Einfluss auf die Zusammensetzung und metabolische Aktivität der Mikrobiota (Shen, 2017). Die Ernährungsgewohnheiten führen zur Herausbildung von sogenannten Enterotypen, wobei sogenannte 'Cafeteria Diäten' gegenüber vielseitigeren Diäten einen großen Einfluss haben (Graf, 2017).

Camarinha-Silva A, Maushammer M, Wellmann R, Vital M, Preuss S, Bennewitz J. Host Genome Influence on Gut Microbial Composition and Microbial Prediction of Complex Traits in Pigs. Genetics. 2017;206(3):1637-44.

Graf D, Di Cagno R, Fåk F, et al. Contribution of diet to the composition of the human gut microbiota. Microb Ecol Health Dis. 2015;26:10.3402/mehd.v26.26164.

Mohan M, Chow CT, Ryan CN, Chan LS, Dufour J, Aye PP, Blanchard J, Moehs CP Sestak K. 2016. Dietary Gluten-Induced Gut Dysbiosis Is Accompanied by Selective Upregulation of microRNAs with Intestinal Tight Junction and Bacteria-Binding Motifs in Rhesus Macaque Model of Celiac Disease. Nutrients 8, E684.

Shen TD. Diet and Gut Microbiota in Health and Disease. Nestlé Nutr Inst Workshop Ser. 2017;88:117-126

Bioinformatische Werkzeuge zur funtionellen Annotation von Polymorphismen und Daten-Integration

Nachdem die DNA-Sequenzen der Genome des Menschen und der meisten Modell- und Nutztierspezies entschlüsselt sind, fokussieren die Forschungsaktivitäten auf die Klärung der Funktion der DNA-Sequenzen. Für das menschliche Genom wurde das ENCODE project 2003 ins Leben gerufen, mit dem Ziel alle funktionellen Elemente des Genoms zu identifizieren (Encode Project Consortium, 2004). Nachfolgend wurden komplementäre Projekte für die Maus und Modellorganismen (Drosophila melanogaster ~pseudoobscura, Caenorhabditis elegans) initiiert. Das Projekt Functional Annotation of Animal Genomes (FAANG) folgte im Jahr 2014 (FAANG Consortium, 2015). Im Gegensatz zu den vorherigen Projekten fokussieren die Nutztierwissenschaftler auf die Analysen von Gewebeproben und nicht Zelllinien. Die öffentlich zugänglichen Daten dieser Projekte sind eine wesentliche Grundlagen, um im Projekt identifizierte merkmalsassoziierte genetische und epigenetische Polymorphism hinsichtlich ihrer funktionellen Relevanz einzuordnen.

Eine weitere Herausforderung bei den bioinformatischen Analysen holistischer Daten verschiedener Ebenen der Genotyp-Phänotyp-Abbildung ist ihre Integration. Die Komplexität biologischer Systeme und die große Anzahl biologischer Variablen mit der relativ geringen Anzahl biologischer Proben machen integrative Analysen zu einer Herausforderung. Ansätze wie genomweite Assoziation und Expression Quantitative Trait Locus (eQTL) Schätzung, Kausalitätsmodellierung (Network Edge Orienting, NEO;) und Netzwerkanalyse (Aten, 2008; Doerge 2002 Jansen and Nap, 2001; Ponsuksili, 2011, 2012, 2013, 2014) sind dazu geeignet. Insbesondere die Analyse gewichteter Genkoexpressionsnetzwerke (WGCNA) ist für die Identifizierung biologischer Netzwerke nützlich (Langfelder und Horvath, 2008, Ponsuksili 2015). Die Integration der Daten und die Funktionelle Annotation erlauben eine biologsche Interpretation der Beobachtung.

Kovarianzstruktur von Features diverser Ebenen (kernels) sind eine weitere Methoden zur Integration von Daten aus verschiedenen Ebenen der Genotyp-Phänotyp-Abbildung (Luo and Brower, 2013). Kernels verschiedener Typen sind auf genomischer Ebene (SNP-Daten, Sequenzdaten) integraler Bestandteil von Modellen zur Schätzung der genetischen Variation (Hayes, 2009). Erweiterte Kovarianzstrukturen können die Effekte unterschiedlicher Methylierungsmuster einbeziehen und bilden damit einen Modellbaustein für die Aufdeckung von zusätzlichen Einflüssen von natürlich vorhandenen oder durch Interventionen hervorgerufenen epigenetischen Varianten auf interessierende Merkmale (Dalgaard, 2016).

Möglichkeiten für Veränderungen dieser epigenetischen Variationsursachen durch Interventionen sind potentiell für die Therapie verschiedener Krankheiten von Interesse. Darüber hinaus könnten natürliche Variationsmuster als Indikatoren für die Resilienz von Subpopulationen gegenüber ungünstigen Umwelteinflüssen aus epidemiologischer Sicht eine Rolle spielen.

Aten JE, Fuller TF, Lusis AJ, Horvath S Using genetic markers to orient the edges in quantitative trait networks: the NEO software. BMC Systems Biology 2008; 2, 34.

Dalgaard K. et al, (2016): Trim28 Haploinsufficiency Triggers Bi-stable Epigenetic Obesity. Cell, 164(3), 353-64.

Doerge RW. Mapping and analysis of quantitative trait loci in experimental populations. Nat Rev Genet 2002; 3:43-52.

ENCODE Project Consortium. The ENCODE (ENCyclopedia Of DNA Elements) Project. Science. 2004; 306(5696):636-40.

FAANG Consortium. Coordinated international action to accelerate genome-to-phenome with FAANG, the Functional Annotation of Animal Genomes project. Genome Biology 2015 16: 57.

Hayes BJ, Visscher PM, Goddard ME. Increased accuracy of artificial selection by using the realized relationship matrix. Genet Res 2009; 91: 47-60

Jansen RC, Nap JP. Genetical genomics: the added value from segregation. Trends Genet 2001;17:388-91.

Langfelder P, Horvath S. WGCNA: an R package for weighted correlation network analysis. BMC Bioinforma2008; 9, 559.

Luo W, Brouwer C. Pathview: an R/Bioconductor package for pathway-based data integration and visualization. Bioinformatics 2013;, btt285.

Ponsuksili S, Du Y, Hadlich F, Siengdee P, Murani E, Schwerin M, Wimmers K. Correlated mRNAs and miRNAs from co-expression and regulatory networks affect porcine muscle and finally meat properties. BMC Genomics 2013; 14, 533.

Ponsuksili S, Du Y, Murani E, Schwerin M, Wimmers K. Elucidating molecular networks that either affect or respond to plasma cortisol concentration in target tissues of liver and muscle. Genetics 2012; 192, 1109-22.

Ponsuksili S, Murani E, Brand B, Schwerin M, Wimmers K. Integrating expression profiling and whole-genome association for dissection of fat traits in a porcine model. J Lipid Res 2011; 52, 668-78.

Ponsuksili S, Murani E, Trakooljul N, Schwerin M, Wimmers K. Discovery of candidate genes for muscle traits based on GWAS supported by eQTL-analysis. Int J Biol Sci 2014; 10, 327-37.

Ponsuksili S, Zebunke M, Murani E, Trakooljul N, Krieter J, Puppe B, Schwerin M, Wimmers K. Integrated Genome-wide association and hypothalamus eQTL studies indicate a link between the circadian rhythm-related gene PER1 and coping behavior. Sci Rep 2015; 5, 16264.

iPSC Whole Genome Sequenz Analysen

Die Firma Nestle nutzt heutzutage schon in entsprechenden Mausmodellen humane iPS-Zellen (induzierte pluripotente Stammzellen; reprogrammiert aus somatischen Zellen) u.a. für gezielte Stoffwechsel- und Ernährungsstudien. Beim Vorliegen kompletter Whole Genome Sequenzen ergeben sich neuartige bioinformatische Ansätze. Wie unterschiedlich menschliche Genome sind zeigt unsere Animation des Interferon-Pathways (P1: Felix Steinbeck) unter http://sch197.med.uni-rostock.de/interferon/?new. Je grüner ein Symbol ist, desto höher ist die Anzahl von SNP Varianten pro Protein im individuellen Genom. Diese Visualisierung wird hier in der PAP-MV2022 Initiative für Adipositas relevante Pathways genutzt werden. Diese Darstellungen erfordern aber die Verwendung hochqualitativer Whole Genome Sequenzdaten. Für die Bewertung des Einflusses einzelner SNPs werden SNPs in unserer In-house Konzeption in drei Klassen eingeteilt: SNPs 1 Ordnung verändern die Struktur von Proteinen; SNPs 2. Ordnung beeinflussen potentiell die Genexpression der RNA und befinden sich in Introns und 40kb und 40 kB stromauf- bzw. stromabwärts des entsprechenden Genes. SNPs 3.Ordnung liegen außerhalb dieser Genloci und könnten eventuell größere Genbereiche kontrollieren bzw. alternativ keinen evolutionsmäßigen Einfluss gehabt haben, siehe Abb. 2

Abbildung 2

Seahorse-Messung metabolischer Aktivitäten

Änderungen metabolischer Zustände spielen nicht nur eine Rolle bei den allermeisten physiologischen Vorgängen, sondern spiegeln auch pathologische Ereignisse wieder. Ein klassisches Beispiel in Bezug auf Erkrankungen ist der metabolische Schalter von oxidativer Phosphorylierung zu Glykolyse bei Tumorzellen (Warburg-Effekt). Auch pluripotente Stammzellen zeichnen sich durch distinkte metabolische Zustände aus, wobei auch hier hohe Glykolyseaktivität vermutlich hohe Biosynthese- und Proliferationsraten möglich macht. Solche Zustände sind mit der epigenetischen Kontrolle des Stammzellzustands und der Differenzierung verknüpft (Teslaa und Teitell, 2015). Das Seahorse XFe96 Analysegerät (Agilent) erlaubt die Messung des Sauerstoffverbrauchs (OCR, "oxygen consumption rate") und der Ansäuerungsrate im Medium (ECAR, "extracellular acidification rate"), Indikatoren für mitochondriale Atmung und glykolytische Aktivität, in Echtzeit und an lebenden Zellen. Fertige kommerzielle Kits mit maßgeschneiderten Substraten und Inhibitoren erlauben sowohl die Aufzeichnung des generellen Energiephänotyps einer Zellkultur als auch der spezifischen Analyse der mitochondrialen Atmung und der Glykolyse. Dabei werden die Zellen nicht zerstört und können nach den Messungen weiteren Experimenten zugeführt werden, siehe Abb. 4.

Teslaa T, Teitell MA. Pluripotent stem cell energy metabolism: an update. EMBO J. 2015; 34(2):138-53.

Arbeitshypothesen des PAP-MV2022 Konsortiums:

Mit der Einbindung des Leibniz-Instituts in Dummerstorf ergibt sich die einzigartige Möglichkeit Jahrzehnte lange Forschungsergebnisse für die Humanmedizin nutzbar zu machen. Neben den Langzeitmausmodellen können jetzt auch Ernährungsstudien am Schwein im Vergleich zur Erfahrungswelt der Adipösen am Südstadtklinikum gesetzt werden. Im porcinen Tiermodell werden die Effekte unterschiedlicher Diäten unter standardisierten Laborbedingungen getestet, während im Mausmodell die Epigenetik transgenetischer Effekte untersucht werden wird. Unsere PAP-MV2022 Konzeption mit dem Untertitel "Vom Brainotyp zum gesunden Lebensstil" impliziert, dass das Phänomen der Fettsüchtigkeit ein mehrschichtiges ist und keineswegs sich auf eine einzelne Resultante (Biomarker) reduzieren lässt. Neben metabolischen Faktoren wird die Rolle der partizipatorischen Mitwirkung des Probanden bei der änderung seines Lebensstils beleuchtet. Unser Postulat in 1. Näherung: Wenn einem Ratio betonten einsichtigen Probanden signalisiert wird, dass sein spezieller Brainotyp (Persönlichkeitsstruktur mit oder ohne genetischer Komponente) eine individuelle Anpassung seiner Ernährung erforderlich macht, dann könnte es möglich sein, dass seine Adhärenz zur Lebensstiländerung dann ausgeprägter sein wird als nach oder unter bisherigen Beratungsszenarien: quod est demonstrandum. Falls Adipositas Patienten sich verläßlich subklassifizieren ließen, wäre eine personalisierte Beratung mit hoher Effizienz realisierbar.

Mittels kognitiver Psychologie zum Brainotyp:

In der Nutztierhaltung wird die Nahrungsaufnahme über implantierte Chips gesteuert, indem festgelegt wird, wie oft z.B. eine Kuh Zugang zu wie viel Futter bekommt. Der adipöse Mensch wird aber von seinem eigenen Gehirn über sehr komplexe physiologische Regelkreise gesteuert, die zum Teil noch durch erlernte Routinen wie Essverhalten und erlernte Vorlieben für spezielle Speisen überformt werden. Aufgrund dieser Komplexität scheint das Gehirn eine übergeordnete Funktion innezuhaben (Konturek 2005), die sich aber wohl nicht ausschließlich über Kenntnisse molekularer Interaktionen erschließen lässt, sondern die auch mittels erlernter Normen und Verhaltensweisen entsprechende Persönlichkeitsstile dokumentiert.

Die kognitive Psychologie erfasst im NEO-Fünf-Faktoren-Inventar (NEO-FFI) nach Costa & McCrae (1992) die menschliche Persönlichkeit in einem Fünf-Faktoren-Modell ("big five"). Dort werden die 5 Basiskategorien Neurotizismus, Extraversion, Offenheit, Verträglichkeit und Gewissenhaftigkeit erfasst. Es fragt sich, ob diese Klassifikation für die Stratifizierung von übergewichtigen und deren Adhärenz zu therapeutischen Interventionen anwendbar sein kann. Alternativ könnte auch das Verhalten eines Menschen zum Belohnungsaufschub ("delay of gratification", Marshmallow-Experiment, Mischel 2014) herangezogen, bzw. der Umgang eines Menschen in Konfliktsituationen genannt werden.

Costa, P. T. McCrae, R. R.(1992). Revised NEO Personality inventory and NEO five-factor inventory (Professional Manual). Odessa: Psychological Assessment Resources.

Konturek PC, Konturek JW, Czenikiewicz-Guzik M, Brzozowski T, Sito E, Konturek SJ. Neuro-hormonal control of food intake: basic mechanisms and clinical implications. J Physiol Pharmacol. 2005; 56 Suppl 6:5-25.

Walter Mischel: The Marshmallow Test: Mastering Self-Control, Little Brown, New York 2014, ISBN 0316230855

Folgende Fragen ergeben sich im allgemeinen und im speziellen:
  1. Warum haben wir so viele übergewichtige Individuen auf der Welt.
  2. Wie kann ich mein Gehirn nutzen, um abnehmen zu können?
  3. Wie müsste eine personifizierte Diät aussehen?
  4. Wie lange habe ich täglich eine Nahrungskarenz einzuhalten, damit ich überhaupt beginne, meine Fettreserven zu mobilisieren?
  5. Wie bekämpfe ich mein Hungergefühl?
  6. Habe ich überhaupt ein Hungergefühl, bzw. ein Sättigungsgefühl?
  7. Weiß ich überhaupt, was und wie viel ich esse?
  8. Wird der Essimpuls über Hunger oder über andere Faktoren getriggert?

Alle diese Fragen bewegen sich auf der Ebene der kognitiven Psychologie im Bereich der medizinpsychologischen Forschung und Praxis und mündet stringent und final in der Frage der PAP-MV2022 Initiative: Können psychologisch, physiologisch eventuell sogar epi-/ genetisch validierbare Brainotypen bestimmt werden? Wenn ja, führt diese Bestimmung bei einer personalisierten therapeutischen Intervention zu größerer Adhärenz. Das hier zu verwendende SORKC-Modell basiert auf einer Verhaltensgleichung, mit der Störungen lerntheoretisch erklärt und behandelt werden können. Dabei bedeuten S = Stimulus, O = Organismusvariable (also die körperlichen Voraussetzungen), R = Reaktion, K = Verstärkerkontingenz (wie wird verstärkt, kontinuierlich oder intermittierend) und C= Verstärkerkonsequenz (positiv oder negativ). Das Modell basiert auf einer Beschreibung nach Kanfer & Saslow (1974). Das SORKC-Modell ist die zentrale Verhaltensgleichung, mit der jede Erkrankung in die Bereiche aufgegliedert werden kann, die zu positiven oder negativen Konsequenzen führen kann.

Kanfer, F.H. & Saslow, G. Behavioral Analysis: An alternative to diagnostic classification. ArchGen Psychiatry 1974; 12, 529-38.

Projektziele

Aufgrund der hohen Komplexität der Fragestellung und der begrenzten Sachmittel steht im Mittelpunkt des Antrages das Ziel, die jetzigen Projektansätzen assoziierter Kerndisziplinen der einzelnen Fachgebiete im Rahmen einer interdisziplinären Sicht zu integrieren, insbesondere dann, wenn man die Arbeitswelt zur Tiergesundheit im Rahmen der Nutztierforschung mit dem Alltag einer Adipositas-Sprechstunde bzw. mit den Komplikationen einer fettsuchtbedingten Risikoschwangerschaft vergleicht. Unsere Konzeption adressiert fundamentale Aspekte des Metabolismus, bzw. der Adhärenz der übergewichtigen Individuen zur Gewichtsreduktion: über allem steht immer auch die Frage nach den epi-/genetischen Komponenten. Gibt es genetisch determinierte Persönlichkeitstrukturen (siehe das Marshmallow-Experiment), die eine höhere Adhärenz zeigen, wenn diesen Personen eine Therapie mit assoziiertem Belohnungsverzicht rational erfassbar und verständlich vorgestellt wird? Welche Rolle spielt der Zeitpunkt der Nahrungsaufnahme vor dem Hintergrund von Unterschieden in der Chronobiologie eines Individuums ("Eulen" und "Lerchen"), die genetisch determiniert auch Stoffwechselvorgänge im Körper synchronisiert (Chronotyping). Die übergeordnete Herausforderung in der PAP-MV2022 Initiative besteht darin, Adipositas assoziierte Brainotypen auch über entsprechende Metabotypen zu definieren und voneinander abzugrenzen. Diese Studien stellen letztendlich die Basis für eine personalisierte Interventionsstrategie dar. Unser Ziel ist es das Adipositas Projekt PAP-MV2022 als tragfähiges Eliteprogramm der Gesundheitswirtschaft in MV der Jahre 2018-2022 zu etablieren. Unsere innovative Strategien verbunden mit langjährigen Expertisen haben das finale Ziel, eine Personalisierte Adipositas-Prävention-Strategie der Gesellschaft zu Beginn von 2022 zu präsentieren, die eventuell sogar als APP verfügbar sein könnte (Abb.3).

Abbildung 3

Spezielle Projektziele:

AP1 Die Stratifizierung adipöser Probanden soll in Untergruppen nach klinischen, epi-/genetischen bzw. psychologischen Gesichtspunkten erfolgen, die evtl. auch eine unterschiedliche Adhärenz zu personalisierten therapeutischen Maßnahmen zeigen könnten. Probanden beteiligen sich an einer 16/8 Diät mit und ohne Elektromyostimulation (EMS Training), stimmen einer SNP-Analyse, bzw. einer Generierung von iPS-Zellen zu. Die iPS-Zellmodelle werden in AP3, AP4 charakterisiert und in AP8 in-silico stratifiziert. Die Frage ist, ob Genomsequenzen von iPS-Zellmodellen in Verbindung mit funktionellen Studien es erlauben, Rückschlüsse auf überhöhte oder erniedrigte BMIs des Zellspenders schließen zu lassen. Neben der Frage nach genetischen Präformierungen wird ermittelt, ob sich psychologische Muster finden, die für oder gegen eine langfristige Teilnahme an Lebenstileinflussnahme sprechen.

AP2 In Studien zur Adhärenz Adipöser werden Probanden nach ihrer Persönlichkeitsstruktur klassifiziert. Hierzu wird die Behandlungsadhärenz zur änderung der Essgewohnheiten erfasst und bewertet. Diese Erfassung dient zusätzlich zur Subgruppenbildung im Rahmen der phänotypischen Charakterisierung im Arbeitspaket A1. Außerdem werden im Rahmen eines verhaltensanalytischen SORKC-Modells individuelle Verhaltensfaktoren (Verhaltensexzesse und -defizite) erarbeitet, um ein individuelles Genese-Modell der Adipositas aufstellen zu können. Es werden Verhaltensmaßnahmen erarbeitet, um die zuvor festgestellten Verhaltensdefizite und -exzesse wirkungsvoll modifizieren zu können. Nach Beendigung dieser Maßnahme erfolgen erneute Messungen der Adhärenz und des therapeutischen Outcomes. Die Ergebnisse der Messungen werden erneut mit der phänotypischen Charakterisierung in Zusammenhang gebracht.

AP3 Phänotyp-spezifische iPS-Zellmodelle werden für die Aufklärung molekularer Prozesse bei der Entstehung von Adipositas etabliert. Mit der Herstellung von Phänotyp spezifischen iPS Zellen (HRO iPSC Modell) werden die Genome der betroffenen Patienten/Probanden in ihrer Vollständigkeit und Funktionalität konserviert. Diese Zellmodelle dienen der funktionellen Analyse molekularer Prozesse auf der Ebene der Genregulation und des Intermediärstoffwechsels. Die HRO iPS-Zellmodelle ermöglichen umfangreiche vergleichende physiologische, genetische und epigenetische Analysen an differenzierten und undifferenzierten iPS Zellen von adipösen und nicht-adipösen Probanden Welche BMI assoziierten Merkmale die phänotypisch zu charakterisierenden iPSC Zellen aufweisen, wird eine zentrale Frage sein.

AP4 Stoffwechsel neural differenzierter Stammzellen. Die Untersuchungen zielen auf die Bedeutung des Stoffwechsels auf Proliferation neuraler Stammzellen und ihrer Differenzierung zu Nervenzellen und Gliazellen (de Lucia 2017). Dieser Einfluss wird in Zusammenhang mit vermuteten veränderten metabolischen Eigenschaften neuraler Stammzellen aus iPS Zellen der verschiedenen Spender (BMI > 40 im Vergleich zu BMI< 20, AP) herausgearbeitet. Immuncytochemische und molekularbiologische Untersuchungen dienen dem Nachweis von Proliferation und Apoptose. Ein epigenetisch bedingter Einfluss auf eine veränderte metabolische Ausstattung der Zellen erfolgt durch Analyse des Epigenoms sowie Transkriptoms (AP3 P1).

de Lucia C, Murphy T, Thuret S. Emerging Molecular Pathways Governing Dietary Regulation of Neural Stem Cells during Aging. Front Physiol. 2017

AP5 Murine Langzeitselektionsmodelle Die Dummerstorfer Mauslinien haben durch die Selektion auf Gewichtszunahme bzw. Laufleistung divergente Nährstoff- und Energiestoffwechsel entwickelt, die im Genom und Epigenom manifestiert sind (siehe z.B. Aksu 2007). Sie stellen ein polygenes Modell für Stoffwechseltypen dar. Die Klärung der genetischen und epigenetischen Unterschiede bei den stoffwechseldivergenten Linien sowie ihrer Antwort auf diätetische Auslenkung auf allen Ebenen der Genotyp-Phänotyp-Abbildung dient der Identifizierung von molekularen Pfaden des Nährstoffum/-ansatzes und prädisponierender Faktoren für Adipositas.

Aksu S, Koczan D, Renne U, Thiesen HJ, Brockmann GA. Differentially expressed genes in adipose tissues of high body weight-selected (obese) and unselected (lean) mouse lines. J Appl Genet. 2007;48(2):133-43. PMID: 17495347

AP6 Porcine Modelle für Stoffwechseltypen. In AP6 dienen porcine Modelle der Klärung der molekularer Faktoren für Merkmale der Körperzusammensetzung und Nährstoffansatzes sowie der Regulation molekularer Pfade in der Antwort auf diätetische Auslenkung vor dem Hintergrund unterschiedlicher genetischer Ausstattung und epigenetischer Prägung.

AP7 Bioinformatische Integration der Daten Sowohl in den murinen und porcinen Modellen als auch bei den iPS-Zellen werden Daten auf den Ebenen des Genoms, Epigenoms und Transkriptoms und z.T. des Mikrobioms erfasst. Zur biologischen Interpretation der Daten zielt AP7 auf die Integration der omics-Daten mit metabolischen Merkmalen sowie die funktionelle Annotation der relevanten Marker und Netzwerke. AP7 zielt auf die Aufklärung der genetischen und epigenetischen Grundlagen der metabolischen Diversität der Zell- und Tiermodelle, der molekulare Konsequenzen diätetischer Auslenkung vor dem Hintergrund dieser Diversität.

AP8 Charakterisierung der iPS Zellmodelle Im PAP-MV2022 Projekt wird folgende übergeordnete Frage gestellt: Welche wissenschaftlichen Möglichkeiten ergeben sich durch die Verwendung von iPS-Zellmodellen in der Adipositas-Forschung. Neben der Bestimmung des Gesamtgenomes, des Transkriptoms und des Proteoms stehen die iPS-Zellmodelle für funktionelle Studien zur Verfügung. Nach Erhalt der iPS Zellen werden die entsprechenden Stoffwechselwege vergleichend analysiert (Seahorse-Experimente in Verbindung mit P4). über die Verwendung Stoffwechsel-aktiver modifizierender in-house-Substanzen in AP3 (P1) werden iPS-Zellen im Rahmen einer vergleichenden Charakterisierung der Phänotypen der HRO iPS Adipositas-Zellmodellen unter sich und unter Einbindung des HAP1 Zellmodells gezielt pertubiert und bioinformatisch in AP8 analysiert. Eine zentrale Frage ist: Gibt es epi-/genetische und funktionelle Merkmale, die darüber entscheiden, ob die Genome dieser iPS-Zellmodelle zu Adipositas neigen oder nicht.

AP9 Strukturierte Promotion/ PostDoc Programm Die strukturierte Promotion bzw. das PostDoc Programm dient der Qualifizierung unserer Doktoranden und Post-Docs auf höchstem internationalem Niveau. Durch die strukturierte und fokussierte Ausbildung erlernen unsere Doktoranden und PostDocs die Entwicklung und Anwendung moderner Forschungsmethoden für die Beantwortung klinisch relevanter Fragestellungen. Sie üben sich tagtäglich in der Vernetzung von Detail-genauer und präziser Labor-/Forschungstätigkeit mit übergeordneten Zusammenhängen im Krankheitsgeschehen. Durch ständiges Hinterfragen der eigenen Arbeit und ein engmaschiges "Coaching" im Qualifizierungsprogramm reifen Wissenschaftler heran, die in der Lage sind, kreative Lösungen für komplexe Probleme zu finden. Unsere Absolventen sind damit bestens geeignet sich aktuellen Berufsanforderungen weltweit zu stellen und diese in ausgezeichneter Weise zu erfüllen. Sie erhalten das nötige Rüstzeug für die eigenverantwortliche Planung ihrer weiteren Karriere.


Final soll die biologische Interpretation der in den klinischen Projektteilen erhobenen anamnestischen und pathophysiologischen Befunde sowie der Daten aus den Experimenten mit iPS-Zellen und Tiermodellen es ermöglichen, mittels biostatistischer Analysen Faktoren und Biomarker für eine Differenzierung der Stoffwechseltypen anzeigen. Darüber hinaus sollen bioinformatische Ansätze zur funktionellen Annotation der genetischen und epigenetischen Polymorphismen sowie die Integration der auf verschiedenen Ebenen vom Genotyp bis Phänotyp erhobenen Daten funktionelle und regulatorische Netzwerke aufzeigen, die Ursachen und Konsequenzen der divergenten Stoffwechseltypen und diätetischen Auslenkungen erklären.

Im Mittelpunkt steht der MV Exzellenz-Initiative steht das Ziel, eine Konzeption auszuarbeiten, die es erlaubt, der Entstehung der Adipositas entgegen zu wirken. Hierzu steht im Mittelpunkt die Effizienz der therapeutischen Intervention (Adhärenz) nicht nur zu verbessern, sondern insbesondere eine Adipositas-Prävention schon vor Beginn einer Schwangerschaft möglich zu machen. Die intellektuelle Herausforderung besteht darin, Adipositas-Patienten in Subgruppen mit unterschiedlichen Persönlichkeitsstrukturen und Metabolismus zu gruppieren.

Beschreibung der geplanten Maßnahmen

Das PAP-MV2022 Konsortium besteht aus 9 Arbeitspaketen AP1-AP9, von dem AP9 der studentischen Aus- und Fortbildung, sowie der Profilierung der Beteiligten über Soft Skills gewidmet ist.

Systemische Highlights:
  • Whole Genome Sequenzierungen von induzierten iPS-Zellen von 7 Adipösen und 3 normal-untergewichtigen Patienten (P1, AP3)
  • Die SNP-Analytik von Adipositas Subgruppen (P1, AP8)
  • Die Tiermodelle vom FBN Dummerstorf (P4, AP5 und AP6).
  • Die soziale und psychische Stratifizierung von Adipösen 8 (P2, AP3)
  • Der Diskurs zur bestmöglichen Abnehmstrategie(P1-P6).
Technische Highlights:
  • Whole genome analysis (P1, P4)
  • iPS-Zellmodelle in der Adipositas Forschung (P1, P5)
  • Integration der Nutztierforschung des Leibniz-Instituts (P4)
  • Integration des KSR Adipositas-Zentrums in MV (P2)
  • Verwendung von iPS Zellmodellen (P1, P5)
  • Nutzung des CRISPR-Cas9 Systems in Verbindung mit dem HAP1 Zellsystem (P1)
Neue Technologien:
  • iPS-Zellmodelle: Personalisierte Genome werden konserviert und können funktionell charakterisiert werden (AP1, AP3, AP7)
  • Molekulare Mechanismen werden mittels CRISPR-Cas9-Knockouts und Knockins im HAP1 System studiert werden (AP3, AP4, AP7)

AP1 verfügt über 6 Maßnahmen. Im Mittelpunkt steht die Frage, ob sich Adipositas assoziierte Brainotypen bestimmen lassen (M1.1), bzw. die Auswahl von Probanden (M1.2), die somatische Zellen zur Generierung von iPS-Zellen spenden wollen, bzw. aktiv an der 16/ 8 Diät mit oder ohne EMS Training (M1.3) teilnehmen wollen. In M1.4 wird geklärt, ob und wann eine Fettsäuremobilisation innerhalb einer Nahrungskarenz von 16 Stunden auftritt. In M1.5 werden durch Adipositas bedingte Risikoschwangerschaften und assoziierte Komorbiditäten erfasst.

AP2 verfügt über 7 Maßnahmen, die der Teilnehmergewinnung und Stratifizierung (M2.1) dienen. In M.2.2 werden die Persönlichkeitsstrukturen einschließlich des Chronotyps bestimmt, in M2.3 folgt die partizipatorische Edukation, gefolgt von einer individuellen Beratung (M2.4). Die individuelle Adhärenz wird in M2.5 erfasst sowie die individuelle Partizipation in M2.6 bestimmt und die finale Bewertung der Adhärenz in M2.6 vollzogen.

AP3 verfügt über 5 Maßnahmen . Im Mittelpunkt steht die Herstellung von iPS Zellen (M3.1), gefolgt von der primären Charakterisierung undifferenzierter iPS-Zellen (M3.2) und der Charakterisierung der von den iPS-Zellen abgeleiteten Adipozyten (M3.3.). Im HAP1 System werden dann ausgewählte Kandidatengene validiert (M3.4). In M3.5 erfolgt die Analyse der entsprechenden Proteome.

AP4 verfügt über 2 Maßnahmen. In M4.1 wird die Proliferation personalisierter neuraler Stammzellen erfasst und in M4.2 die weiterführende Neuro- und Gliazellgenese studiert. Im Mittelpunkt steht die Frage können Unterschiede identifiziert werden, die mit der Adipositas assoziiert sein könnten.

AP5 verfügt über 3 Maßnahmen. In M5.1 werden die genetische und epigenetische Divergenz der Maus-Langzeitselektionslinien erfasst, inklusive metabolischer Spuren der Selektion. Ein Highlight ist sicherlich M5.2: Dort wird die transgenerationelle Vererbung epigenetischer Modifikationen studiert. Die Funktionelle Bedeutung der erhobenen Daten wird in Maßnahme M5.3 näher analysiert.

AP6 verfügt über 3 Maßnahmen. In M6.1 wird das porcine Modell etabliert, in M6.2 werden Stoffwechselparameter und der assoziierte Energiestoffwechsel evaluiert. In M6.3 folgt die Analyse der Zusammenhänge zwischen Genom, Epigenom, Transkriptom (mRNA, miRNA) und metabolischen Parametern in porcinen Modellen.

AP7 verfügt über 2 Maßnahmen. In M7.1 werden molekulare Konsequenzen der Diäten auf epigenetischen Modifikationen und Expressionsmustern zwischen den Diätgruppen untersucht. Es wird untersucht, ob sich auch über Generationen akute und persistente Konsequenzen der Diäten vor dem Hintergrund divergenter Genotypen, Phänotypen und Prägung nachweisen lassen. In M7.2 wird die Diversität der Modelle bestimmt und vergleichend charakterisiert.

AP8 verfügt über 4 Maßnahmen. In M8.1 werden vergleichende Whole Genome Analysen durchgeführt. In M8.2 werden vergleichend Seahorse-Experimente analysiert und in M8.3 werden finale Aussagen zur Wertigkeit von iPSC Modellsystemen zur Charakterisierung der Adipositas (M8.4) sowie anderer polygener Erkrankungen getroffen.

AP9 beschreibt 6 Maßnahmen des Aus-und Fortbildungsprogramms bestehend aus M9.1 Regelmäßige Seminare (Dedicated Classes, DC), M9.2 Gemeinsamer Workshop/Konferenz (Participants' Camp, PC), M9.3 Konferenzteilnahmen (Active Contributions, AC), M9.4 Praktische Lehre (Teaching Courses, TC), M9.5 Externe Labortätigkeit (External Call, EC) und M9.6 Soft-skills (Soft-skill Courses, SC)