Die vier Forschungsbereiche des CIBSS bringen Wissenschaftler*innen aus verschiedenen Disziplinen zusammen, die komplementäre Ansätze in der Signalforschung verfolgen.
Zusätzlich zu diesen Forschungsbereichen hat das CIBSS vier Querschnittsthemen (CSTs) identifiziert, in denen Freiburg über eine kritische kombinierte Expertise verfügt und in denen ein integrativer Ansatz ein großes Potenzial für bahnbrechende Ergebnisse und Innovationen hat:
Mitochondrien sind vielleicht am besten als die Kraftwerke der Zellen bekannt - sie produzieren die Energie, die die Zellen zum Überleben und für ihre Funktionen benötigen. Sie sind auch wichtige Orte des zellulären Stoffwechsels, an denen Nährstoffe aufgespalten und Zellbausteine hergestellt werden. In den letzten Jahren hat sich herausgestellt, dass Mitochondrien auch ein zentraler Knotenpunkt für die Kommunikationsprozesse innerhalb der Zelle sind.
Sie integrieren Signale von außerhalb und innerhalb der Zelle in den Zellstoffwechsel, koordinieren diese Prozesse und gestalten so das Schicksal und die Funktion der Zelle. Wenn die Kommunikationsprozesse an diesen mitochondrialen Signalknotenpunkten zusammenbrechen, kann dies schwerwiegende Folgen haben - Immunzellen können zum Beispiel ihre Fähigkeit verlieren, Krebs zu bekämpfen.
In CIBSS-A untersuchen wir 1) wie die dynamischen Zustände von Multiproteinverbänden die Proteinbiogenese und die mitochondriale Funktion mit der zellulären Signalgebung kontrollieren und koordinieren und 2) wie mitochondriale und nukleare Genexpressions-Programme koordiniert werden - einschließlich der Rolle von Proteinen, die auf beide Organellen ausgerichtet sind. Diese Forschung profitiert von CIBSS-C, das Instrumente zur Untersuchung und Kontrolle der Dynamik und Spezifität der Signalübertragung bereitstellt. CIBSS-B liefert neue Erkenntnisse darüber, wie die mitochondriale Signalübertragung mit dem Stoffwechsel koordiniert wird und wie diese Prozesse die Entwicklung und Reparatur von Gewebe beeinflussen.
In CIBSS-D definieren funktionelle Proteomik-Studien die Zusammensetzung, Dynamik und posttranslationalen Modifikationen mitochondrialer Proteinverbände. Diese bestimmen die mitochondriale Morphologie, Organisation und den Proteinimport/-export. CIBSS-D untersuchent außerdem, wie Signalwege das mitochondriale Proteom formen und wie Stresssignale aus den Mitochondrien (reaktive Sauerstoffspezies - ROS) auf Signalfaktoren in der Zelle wirken.
Damit die Organe ihre Funktion im Körper erfüllen können, müssen Muster und organisierte Strukturen im Gewebe sorgfältig gebildet und aufrechterhalten werden. Dies erfordert eine ständige Kommunikation und Koordination sowohl zwischen als auch innerhalb der Zellen. Stammzellen müssen diese Signale richtig verarbeiten, um zu wissen, wann sie ruhen, wann sie sich vermehren und wann sie sich differenzieren müssen, um Zellen im Gewebe zu bilden oder aufzufüllen.
Andere Zellen im Gewebe müssen ebenfalls angemessen auf verschiedene Bedingungen und Reize reagieren, um ihre Aktivität genau auf die der benachbarten und entfernteren Zellen abzustimmen. Wenn diese Kommunikation und Choreografie zusammenbricht, kann es zu Entwicklungsstörungen, Organfehlfunktionen oder -versagen sowie Krebs kommen.
In CIBSS-A entschlüsseln wir, 1) wie dynamische Signalkonstrukte Informationen aus der Gewebeumgebung wahrnehmen, 2) wie sie diese Signale an die Transkriptionsregulationskomplexe im Zellkern weiterleiten, um das Zellschicksal und die Aktivität im Gewebe zu bestimmen. CIBSS-B konzentriert sich auf die Frage, wie die Signalübertragung die Organisation der Stammzellnische und die Musterung von Epithelien sowie die Bildung von Organen und deren Reparatur und Regeneration nach Verletzungen steuert.
Präzise synthetische Werkzeuge, die in CIBSS-C entwickelt wurden, werden eingesetzt, um zu untersuchen, wie dynamische molekulare Signale weitergeleitet und in die multizelluläre Musterbildung integriert werden. In CIBSS-D liefern fortschrittliche bildgebende Verfahren in Kombination mit Deep-Learning-Analysen und mathematischer Modellierung einen beispiellosen Einblick in die Art und Weise, wie Signalprozesse, die auf verschiedenen Ebenen ablaufen, die Ruhephase, Aktivierung, Expansion und Differenzierung von Stammzellen im Kontext intakter Organe steuern.
Im Gegensatz zu Tieren, die sich bewegen können, um das zu finden, was sie brauchen, müssen Pflanzen das Beste aus ihrer unmittelbaren Umgebung machen. Daher müssen sie auf die Signale ihrer Umgebung besonders gut eingestellt sein. Dies gilt auch für die Wurzeln, die die Verfügbarkeit von Wasser und Nährstoffen sowie das Vorhandensein von symbiotischen oder pathogenen Mikroben im Boden wahrnehmen.
Diese Signale müssen mit dem allgemeinen Ernährungszustand verknüpft werden, der letztlich das Wachstum und die Entwicklung der Pflanze steuert, einschließlich von spezifischen Programme der Organentwicklung auf der Ebene der Wurzel. Im Falle von Wurzelsymbiosen müssen diese Entwicklungshinweise mit der Wahrnehmung von mikrobiellen Signalen und weitreichenden Signalketten abgestimmt werden, um symbiotische Infektionen von spezialisierten Wurzelzellen zu ermöglichen.
In CIBSS-A untersuchen wir die Dynamik der Signalkomplexe in den Wurzelzellen, die Bodenfaktoren wie symbiotische und pathogene Bakterien wahrnehmen. In CIBSS-B wird die Integration von Signalen in den Wurzeln und ihre Weitergabe an den Spross erforscht.
In CIBSS-D geben fortschrittliche bildgebende Verfahren Einblick in Nanodomänen in den Wurzeln von Leguminosen. Diese Wurzelstrukturen steuern letztlich die Interaktionen mit symbiotischen Bodenbakterien und die Bildung von stickstofffixierenden Wurzelknöllchen, die es den Pflanzen ermöglichen, ohne Düngemittel zu wachsen.
Das integrative Verständnis der Signalmechanismen in Pflanzen bildet die Grundlage für die Übertragung vorteilhafter Eigenschaften auf Nutzpflanzen in CIBSS-C. Dessen Ziel istl, Signalmodule in Nutzpflanzen zu entwickeln, die die Widerstandsfähigkeit erhöhen und die Abhängigkeit von industriellen Düngemitteln verringern.
Immunzellen sind mobil und stehen daher vor der einzigartigen Herausforderung, ständig neuen Signalen aus einer sich ständig verändernden Umgebung ausgesetzt zu sein. Ebenso bemerkenswert ist die Vielseitigkeit der Reaktionen, zu denen eine einzelne Immunzelle fähig ist: an Ort und Stelle bleiben oder wandern, angreifen oder tolerieren, leben oder sterben.
Um angemessen zu reagieren und zwischen harmlos und schädlich zu unterscheiden, müssen Immunzellen Signale aus ihrer Umgebung integrieren und in einen Kontext setzen. Und es steht viel auf dem Spiel. Werden Krankheitserreger oder Krebszellen nicht angegriffen, kann dies zur Ausbreitung von Infektionen oder Krebs führen. Zu starke oder fehlgeleitete Reaktionen gegen körpereigene Zellen können zu Entzündungen oder Autoimmunität führen.
In CIBSS A untersuchen wir die Dynamik des Zusammenschlusses und der Clusterbildung von Immunrezeptoren, sowie die Integration von Signalen hemmender Rezeptoren und wie diese sich auf die Ebene des Organismus auswirkt. Dies kann sowohl akute als auch lang anhaltende Immunreaktionen zu erzeugen. CIBSS-B untersucht die Rolle des Stoffwechsels für die Funktion von Immunzellen. Hier steht die Frage im Mittelpunkt, wie Stoffwechselprozesse und -Produkte die Signaltransduktion und die Genexpression steuern, um die Funktion und das Schicksal von Immunzellen aktiv zu gestalten.
CIBSS-D wird die hochauflösende Massenspektrometrie eingesetzt, um proteomweite Veränderungen nach der Aktivierung von Immun-Signalwegen zu untersuchen. In CIBSS-C entwickeln wir Technologien zur präzisen Funktionskontrolle, die zum besseren Verständnis der Signaldynamik von Immunzellrezeptoren eingesetzt werden. Darüber hinaus nutzen wir das neue Wissen über die Signalübertragung von Immunrezeptoren, um verbesserte Krebsimmuntherapien zu entwickeln.
