Lehrstuhl Systembiologie

Zelluläre Prozesse werden durch komplexe Netzwerke interagierender Moleküle gesteuert. Krankheiten entstehen durch Störungen dieser Netzwerke und lassen sich nur begrenzt durch die Untersuchung einzelner Gene oder Proteine verstehen. Daher gilt unser wissenschaftliches Interesse der systemischen Untersuchung zellulärer Regulationsnetzwerke, insbesondere im Bereich der Krebsforschung. In unserer Forschung kombinieren wir mathematische Modelle mit hochdimensionalen experimentellen Daten, um Einblicke in krankheitsrelevante Veränderungen zu erhalten.

Ein Schwerpunkt unserer Forschung ist dabei die quantitative Beschreibung zellulärer Heterogenität. Sogar genetisch identische Zellen reagieren unterschiedlich (heterogen) auf Umweltveränderungen. Diese Heterogenität ist ein wesentliches Merkmal zellulärer Entscheidungsprozesse, und kann sowohl für die Diversifizierung von Geweben als auch für krankhafte Veränderungen verantwortlich sein. Wir charakterisieren die Variabilität intrazellulärer Netzwerke über zeitaufgelöste bildgebende Verfahren und genomische Analysen auf Einzelzellebene. Basierend auf diesen Daten entwickeln wir theoretische Modelle, mit denen wir heterogene Zellpopulationen im Computer quantitativ abbilden und so Ursachen der zellulären Variabilität identifizieren (Strasen et al., 2018; Fritzsch et al., 2018) bzw verstehen, wie biologische Systeme trotz Fluktuationen robust funktionieren (Kamenz et al., 2015).

Als zweiten Fokus studieren wir in unserer Gruppe wie die Aktivität der Gene im Zellkern durch komplexe Regulationsnetzwerke kontrolliert wird. Wir haben systemtheoretische Ansätze entwickelt, mit denen wir das Zusammenspiel der Moleküle in diesen Netzwerken aus Störungsmessungen und genomischen („Multi-OMICS“) Datensätzen ableiten (Braun et al., 2018; Stelniec et al., 2012; Becker et al. 2018). Hauptfokus unserer experimentellen und theoretischen Analysen zur Genregulation ist es, das alternative Spleissen quantitativ zu untersuchen. Dieser Prozess trägt zur Komplexität menschlicher Zellen bei, da es die Produktion vieler Proteinvarianten aus nahezu jedem Gen ermöglicht. Durch systembiologische Ansätze konnten wir basierend auf DNA- und RNA-Sequenzierungsdaten tausende Sequenzmutationen charakterisieren, die eine in Krebszellen deregulierte Spleissentscheidung beeinflussen (Braun et al., 2018). Des Weiteren haben wir quantitative kinetische Modelle entwickelt, um die hochkomplexe molekulare Maschinerie des alternativen Spleissens mechanistisch zu beschreiben (Sutandy et al., 2018; Enculescu et al., 2020). Durch solche Ansätze erhoffen wir uns Einblicke in die Regulationsprinzipien dieses wichtigen genregulatorischen Prozesses.