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Molekulare Mechanismen der Neurodegeneration

Forschungsgruppe der Klinik für Psychiatrie und Psychotherapie

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Wir interessieren uns für die zugrundeliegenden molekularen Mechanismen neurodegenerativer Erkrankungen, insbesondere der Alzheimer-Demenz (AD). Dazu nutzen wir neuropathologische, molekularbiologische, biochemische und verhaltensbiologische Untersuchungsmethoden. Es werden u.a. Mausmodelle der AD eingesetzt um den Zusammenhang zwischen Lern- und Gedächtnisdefiziten und pathologischen Hirnveränderungen zu untersuchen.

Auswahl aktueller Projekte

Der Einfluss von Umweltfaktoren auf die Entwicklung der Alzheimer-Erkrankung

In mehreren aktuellen Studien untersuchen wir den Einfluss von Umweltfaktoren wie z.B. körperlicher Aktivität oder Ernährungsgewohnheiten auf pathologische Veränderungen in Mausmodellen der Alzheimer-Erkrankung. Dazu nutzen wir u.a. das sogenannte „Enriched Environment“-Paradigma, in dem z.B. durch Laufräder und verschiedene Spielzeuge eine reizangereicherte Umgebung angeboten wird. Dabei konnten wir feststellen, dass gesteigerte körperliche Aktivität mit einer ausgeprägten Verbesserung von Lerndefiziten, einem abgeschwächten Nervenzellverlust und einer deutlich gesteigerten Neubildung von Nervenzellen im Gehirn dieser Mäuse einhergeht (z.B. Hüttenrauch et al., Transl Psych 2016; Hüttenrauch et al., Front Mol Neurosci 2016; Gerberding et al., ASN Neuro 2019; Stazi und Wirths, Behav Brain Res 2021). Kürzlich konnten wir zeigen, dass auch Ernährungsfaktoren wie Koffein einen positiven Einfluss auf Lern- und Gedächtnisdefizite im Tiermodell haben können (Stazi et al., Cell Mol Life Sci 2022; Stazi et al., Eur Arch Psych Clin Neurosci 2023; Stazi et al., Int J Mol Sci 2023). 

Referenzen:
  • Gerberding A.-L., Zampar S., Stazi M., Liebetanz D., Wirths O. (2019) Physical activity ameliorates impaired hippocampal neurogenesis in the Tg4-42 mouse model of Alzheimer’s disease. ASN Neuro, 1759091419892692, https://doi.org/10.1177/1759091419892692
  • Hüttenrauch M., Brauß A., Kurdakova A., Borgers H., Klinker F., Liebetanz D., Salinas-Riester G., Wiltfang J., Klafki H.W., Wirths, O. (2016) Physical activity delays hippocampal neurodegeneration and rescues memory deficits in an Alzheimer disease mouse model. Translational Psychiatry, 6:e800; https://doi.org/10.1038/tp.2016.65
  • Hüttenrauch M., Salinas G., Wirths O. (2016) Effects of long-term environmental enrichment on anxiety, memory, hippocampal plasticity and overall brain gene expression in C57BL6 mice. Frontiers in Molecular Neuroscience, 9:62; https://doi.org/10.3389/fnmol.2016.00062
  • Stazi M., Wirths O. (2021) Physical activity and cognitive stimulation ameliorate learning and motor deficits in a transgenic mouse model of Alzheimer’s disease. Behavioural Brain Research, 397: 112951; https://doi.org/10.1016/j.bbr.2020.112951
  • Stazi M., Lehmann S., Sakib M.S., Pena-Centeno T., Büschgens L., Fischer A., Weggen S., Wirths O. (2022) Long-term caffeine treatment of Alzheimer mouse models ameliorates behavioural deficits and neuron loss and promotes cellular and molecular markers of neurogenesis. Cellular and Molecular Life Sciences, 79(1): 55; https://doi.org/10.1007/s00018-021-04062-8
  • Stazi M., Zampar S., Nadolny M., Büschgens L., Meyer T., Wirths O. (2023) Combined long-term enriched environment and caffeine supplementation improve memory function in C57Bl6 mice. European Archives of Psychiatry and Clinical Neuroscience, 273: 269-281; https://doi.org/10.1007/s00406-022-01431-7
  • Stazi M., Zampar S., Klafki H.W., Meyer T., Wirths O. (2023) A combination of caffeine supplementation and enriched environment in Alzheimer's disease mouse model. International Journal of Molecular Sciences, 24(3): 2155, https://doi.org/10.3390/ijms24032155

Rolle aminoterminal modifizierter Abeta-Peptide bei der Alzheimer-Erkrankung

Die Ablagerung von sogenannten Amyloid-beta (Abeta) Peptiden in Form extrazellulärer Plaques gehört zu den neuropathologischen Hauptmerkmalen der Alzheimer-Erkrankung. Neben den, durch sequentielle Spaltung des Amyloid-Vorläuferproteins (APP) durch beta- und gamma-Sekretase gebildeten Abeta1-40 und Abeta1-42 Peptiden, gibt es weitere, aminoterminal veränderte Peptidvarianten (Wirths und Zampar, Expert Opin Ther Targets 2019). Dazu gehören u.a. verkürzte Abeta-Peptide die mit der Aminosäure Phenylalanin an Position 4 (Abeta4-x) beginnen und im Gehirn von Alzheimer-Patienten sowie in Mausmodellen der Alzheimer-Erkrankung gefunden wurden (Wirths et al., Alzheimers Res Ther 2017; Zampar et al., Neuropathol Appl Neurobiol 2020; Bader et al., Life 2023), aber auch solche die N-terminal verlängert (z.B. Abeta-3-40) (Klafki et al., Int J Mol Sci 2020; Klafki et al., J Neurochem 2022) oder post-translational modifiziert sind (Schrempel et al., Acta Neuropathol 2024). Kürzlich konnten wir die Metalloprotease ADAMTS4 als ein Enzym identifizieren, das an der Bildung von Abeta4-x Peptiden aber auch N-terminal verlängerten Abeta-Varianten beteiligt ist (Walter et al., Acta Neuropathol 2019; Wirths et al., Neuropathol Appl Neurobiol 2024). Ferner untersuchen wir einen möglichen Einfluss dieser modifizierten Peptide auf Myelin und die Rolle dieser Peptide in Oligodendrozyten (Depp et al., Nature 2023; Sasmita et al., Nat Neurosci 2024), da ADAMTS4 im Gehirn stark in diesem speziellen Zelltyp exprimiert wird.

Referenzen:
  • Bader A.S., Gnädig M.U., Fricke M., Büschgens L., Berger L.J., Klafi H.W., Meyer T., Jahn O., Weggen S., Wirths O. (2023) Brain region-specific differences in amyloid-b plaque composition in 5XFAD mice.Life, 13: 1053; https://doi.org/10.3390/life13041053
  • Depp C., Sun T., Sasmita A.O., Spieth L., Berghoff S.A., Nazarenko T., Overhoff K., Steixner-Kumar A.A., Subramanian S., Arinrad S., Ruhwedel T., Möbius W., Göbbels S., Saher G., Werner H.B., Damkou A., Zampar S., Wirths O., Thalmann M., Simons M., Saito T., Saido T., Krueger-Burg D., Kawaguchi R., Willem M., Haass C., Geschwind D., Ehrenreich H., Stassart R., Nave K.-A. (2023) Myelin dysfunction drives amyloid deposition in mouse models of Alzheimer’s disease. Nature, 613: 349-357,https://doi.org/10.1038/s41586-023-06120-6
  • Klafki H.W., Wirths O., Mollenhauer B., Liepold T., Rieper P., Esselmann H., Vogelgsang J., Wiltfang J., Jahn O. (2022) Detection and quantification of Abeta-3-40 (APP669-711) in cerebrospinal fluid. Journal of Neurochemistry, 160: 578-589, https://doi.org/10.1111/jnc.15571
  • Klafki H.W., Morgado B., Wirths O., Jahn O., Bauer C., Schuchhardt J., Wiltfang J. (2022) Is plasma amyloid-beta 1-42/1-40 a better biomarker for Alzheimer’s disease than Abeta x-42/x-40? Fluids and Barriers of the CNS, 19(1): 96, https://doi.org/10.1186/s12987-022-00390-4
  • Sasmita A.O., Depp C., Nazarenko T., Sun T., Siems S.B., Ong E.C., Nkeh Y.B., Boehler C., Yu X., Bues B., Evangelista L., Mao S., Morgado B., Wu Z., Ruhwedel T., Subramanian S., Börensen F., Overhoff K., Spieth L., Berghoff S.A., Sadleir K.R., Vassar R., Eggert S., Goebbels S., Saito T., Saido T., Saher G., Möbius W., Castelo-Branco G., Klafki H.W., Wirths O., Wiltfang J., Jäkel S., Yan R., Nave K.A. (2024) Oligodendrocytes produce amyloid-beta and contribute to plaque formation alongside neurons in Alzheimer’s disease model mice.Nature Neuroscience, 27: 1668-1674, https://doi.org/10.1038/s41593-024-01730-3
  • Schrempel S., Kottwitz A.K., Piechotta A., Gnoth K., Büschgens L., Hartlage-Rübsamen M., Morawski M., Schenk M., Kleinschmidt M., Serrano G.E., Beach T.G., Rostagno A., Ghiso J., Heneka M.T., Walter J., Wirths O., Schilling S., Roßner S. (2024) Identification of isoAsp7-Abeta as a major Abeta variant in Alzheimer’s disease, dementia with Lewy bodies and vascular dementia.Acta Neuropathologica, 148: 78 https://doi.org/10.1007/s00401-024-02824-9
  • Walter S., Jumpertz T., Hüttenrauch M., Ogorek I., Gerber H., Storck S.E., Zampar S., Dimitrov M., Lehmann S., Lepka C., Berndt C., Wiltfang J., Becker-Pauly C., Beher D., Pietrzik C.U., Fraering P., Wirths O*. and Weggen S*. (2019) The metalloprotease ADAMTS4 generates N-truncated Abeta4-x peptides and marks oligodendrocytes as a pro-amyloidogenic cell lineage in Alzheimer’s disease. Acta Neuropathologica, 137: 239-257 (*corresponding authors), https://doi.org/10.1007/s00401-018-1929-5
  • Wirths O., Lehnen C., Fricke M., Talucci I., Klafki H.-W., Morgado B., Lehmann S., Münch C., Liepold T., Wiltfang J., Rostagno A., Ghiso J., Maric H.M., Jahn O., Weggen S. (2024) Amino-terminally elongated Abeta-3-x peptides are generated by the secreted metalloprotease ADAMTS4 and deposit in a subset of Alzheimer’s disease brains. Neuropathology Applied Neurobiology, 50(3): e12991, https://doi.org/10.1111/nan.12991
  • Wirths O., Walter S., Kraus I., Klafki H.W., Stazi M., Oberstein T., Ghiso J., Wiltfang J., Bayer T.A., Weggen S. (2017) N-truncated Abeta4-x peptides in sporadic Alzheimer's disease cases and transgenic Alzheimer mouse models. Alzheimer’s Research & Therapy, 9(1): 80, https://doi.org/10.1186/s13195-017-0309-z
  • Wirths O., Zampar S. (2019) Emerging roles of N- and C-terminally truncated Abeta peptides in Alzheimer’s disease. Expert Opinion on Therapeutic Targets, 23(12): 991-1004, https://doi.org/10.1080/14728222.2019.1702972
  • Zampar S., Klafki H.W., Sritharen K, Bayer T.A., Wiltfang J., Rostagno A., Ghiso J., Miles L.A., Wirths O. (2020) N-terminal heterogeneity of parenchymal and vascular amyloid-beta deposits in Alzheimer’s disease. Neuropathology Applied Neurobiology, 46: 273-285, https://doi.org/10.1111/nan.12637

Rolle von Signaltransduktionskaskaden bei Entzündungsprozessen der Alzheimer-Krankheit

Zunehmende Hinweise belegen, dass Entzündungsprozesse eine wichtige Rolle beim Krankheitsbild der AD spielen. Aktivierte Mikrogliazellen finden sich konzentriert in der Nähe von Amyloid-beta-Ablagerungen und scheinen über Phagozytoseprozesse an deren Beseitigung (Hüttenrauch et al., Acta Neuropathol Commun 2018; Aichholzer et al., Alzheimers Res Ther 2021), aber auch ursächlich an der Amyloid-beta Ablagerung beteiligt zu sein (Kaji et al., Immunity 2024). Sogenannte STAT-Proteine (Signal-Transduktoren und Aktivatoren der Transkription) sind wichtige Transkriptionsfaktoren (Menon et al., BBA – Mol Cell Res 2021; Menon et al., Cell Commun Signal 2022; Remling et al., Cell Commun Signal 2023), die eine Rolle bei den pathophysiologischen Veränderungen der AD spielen können. Wir wollen mit Hilfe geeigneter Mausmodelle gezielt die Funktion dieser STAT-Proteine im Kontext der Alzheimer-Krankheit untersuchen und besonders deren Rolle in Mikrogliazellen näher beleuchten (Kaji et al., Immunity 2024). 

Referenzen:
  • Aichholzer F., Klafki H.W., Ogorek I., Vogelgsang J., Wiltfang J., Scherbaum N., Weggen S., Wirths O. (2021) Evaluation of cerebrospinal fluid glycoprotein NMB (GPNMB) as a potential biomarker for Alzheimer’s disease. Alzheimer’s Research & Therapy, 13: 94, https://doi.org/10.1186/s13195-021-00828-1
  • Hüttenrauch M., Ogorek I., Klafki H.W., Otto M., Stadelmann C., Weggen S., Wiltfang J. Wirths O. (2018) Glycoprotein NMB: a novel Alzheimer’s disease associated marker expressed in a subset of activated microglia. Acta Neuropathologica Communications, 6(1): 108, https://doi.org/10.1186/s40478-018-0612-3
  • Kaji S., Berghoff S.A., Spieth L., Sasmita A.O., Büschgens L., Kedia S., Schlapphoff L., Zirngibl M., Nazarenko T., Damkou A., Vitale S., Hosang L., Depp C., Kamp F., Scholz P., Ewers D., Ischebeck T., Wurst W., Wefers B., Schifferer M., Willem M., Nave K.-A., Haass C., Arzberger T., Jäkel S., Wirths O., Saher G., Simons M. (2024) Apolipoprotein E aggregation in microglia initiates Alzheimer’s disease pathology by seeding beta-amyloidosis. Immunity, 57: 2651-2668, https://doi.org/10.1016/j.immuni.2024.09.014
  • Menon P.R., Doudin A., Gregus A., Wirths O., Staab J., Meyer T. (2021) The anti-parallel dimer conformation of STAT3 is required for the inactivation of cytokine signal transduction. Biochimica et Biophysica Acta – Molecular Cell Research, 1868(12): 119118, https://doi.org/10.1016/j.bbamcr.2021.119118
  • Menon P.R., Staab J., Gregus A., Wirths O., Meyer T. (2022) An inhibitory effect on the nuclear import of phospho-STAT1 by its unphosphorylated form. Cell Communication & Signaling, 20(1):42, https://doi.org/10.1186/s12964-022-00841-3
  • Remling L., Gregus A., Wirths O., Meyer T., Staab J. (2023) A novel interface between the N-terminal and coiled‑coil domain of STAT1 functions in an autoinhibitory manner. Cell Communication & Signaling, 21: 170, https://doi.org/10.1186/s12964-023-01124-1
Publikationen der Forschungsgruppe (PubMed)

Wissenschaftliche Kollaborationen

Intern:

  • Prof. Dr. Jens Wiltfang/ Dr. Hans Klafki/ Prof. Dr. Olaf Jahn/ Prof. Dr. Andre Fischer, Klinik für Psychiatrie und Psychotherapie
  • Prof. Dr. Christine Stadelmann-Nessler/ Dr. Stefan Nessler, Institut für Neuropathologie
  • Prof. Dr. mult. Thomas Meyer, Psychosomatische Medizin und Psychotherapie

Extern:

  • Prof. Dr. Sascha Weggen, Institut für Neuropathologie, Universitätsklinikum Düsseldorf
  • Prof. Jorge Ghiso, Dept. of Pathology/Dept. of Psychiatry, New York University
  • Prof. Dr. Claus Pietrzik, Institut für Pathobiochemie, Universität Mainz
  • Dr. Hans-Michael Maric, Rudolf-Virchow-Zentrum, Universität Würzburg

Preise/Drittmittel

  • Alzheimer Forschung Initiative
  • Alzheimer Stiftung Göttingen
  • Gerhard Hunsmann Stiftung
  • Deutsche Forschungsgemeinschaft, GRK2824

Kontakt

Leitung

Leitung der Forschungsgruppe Molekulare Mechanismen der Neurodegeneration

Prof. Dr. Oliver Wirths

Prof. Dr. Oliver Wirths

Kontaktinformationen

Mitarbeiter*innen

Wissenschaftlicher Mitarbeiter

Luca Büschgens

Luca Büschgens

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Wissenschaftliche Mitarbeiterin

Merle Fricke

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Wissenschaftlicher Mitarbeiter

Mehedi Mohammed Hassan

Kontaktinformationen

Doktorand*innen (Humanmedizin)

  • Freyja Aichholzer
  • Florian Herzog
  • Rieke Kristin Sasse
  • Julia Strauß

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