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Biologie


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Prof. Dr. rer. nat.  Chadi Touma

Prof. Dr. rer. nat. Chadi Touma

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Publikationen

[english version]  Der Forschungsschwerpunkt der Arbeitsgruppe Verhaltensbiologie liegt auf der Entwicklung und Charakterisierung klinisch relevanter Tiermodelle der angeborenen Emotionalität und Stressreaktivität. Die Arbeiten zielen auf die Analyse neurobiologischer, endokriner und molekulargenetischer Mechanismen von affektiven Störungen wie der Depression.
Das Methodenspektrum umfasst eine Vielzahl verhaltensbiologischer Tests, neuroendokrine Techniken zur Analyse von Steroiden, Neuropeptiden und Transmittern im Gehirn, und darüber hinaus Paradigmen zur Untersuchung von Interaktionen zwischen genetischer Prädisposition und Umwelteinflüssen.
Die neuroendokrinen Untersuchungen im Gehirn und Blut konzentrieren sich dabei auf die Funktion und Regulation der Stresshormon-Systeme, die mit Emotionalität und Depression assoziiert sind.
Zum Einsatz kommen verschiedene Labormausstämme sowie Tiermodelle für neurodegenerative Erkrankungen und affektive Störungen (generiert durch selektive Zucht bzw. gezielte genetische Manipulation).
Durch die präzise Kenntnis von neurobiologischen und molekulargenetischen Korrelaten der Verhaltensveränderungen bei Angst- und Depressionserkrankungen soll ein Beitrag zur Definition neuer Zielstrukturen für die Diagnose und Behandlung dieser affektiven Störungen geleistet werden.

Forschungsschwerpunkte:

  • "Genes, Hormones and the Brain"
    molekulargenetische und neuroendokrine Grundlagen des Verhaltens
  • Funktion und Regulation der Stresshormon-Systeme
    Fokus: Veränderungen bei neurodegenerativen und psychiatrischen Erkrankungen, inklusive pharmakologischer Manipulation des Endophänotyps
  • Gen-Umwelt-Interaktionen, Epigenetik
    Modulation genetischer Prädispositionen durch soziale und nicht-soziale Umweltfaktoren
  • Regulation von Energiemetabolismus und neuronalen Funktionen
    Einfluss metabolischer Veränderungen auf verhaltensbiologische und neurobiologische Endophänotypen


Methoden:

  • Verhaltensanalyse im Heimatkäfig und verschiedenen Testparadigmen
    Emotionalität, Coping-Strategien
    Aktivitätsrhythmen, Exploration, Kognition
    Sozialverhalten, elterliches Fürsorgeverhalten
  • Neuroendokrine Untersuchungen
    Tests zur Reaktivität und Feedback-Regulation der HPA-Achse
    Hormonbestimmungen aus Plasma und Liquor/Mikrodialysaten (Steroide, Neuropeptide, Neurotransmitter)
    Nicht-invasives Monitoring von Steroidhormon-Metaboliten aus Kotproben
  • Funktionelle Neuroanatomie
    Genexpression in neuronalen Kerngebieten (Microarray, in situ-Hybridisierung, real-time PCR)
    Rezeptorautoradiographie, Immunhistochemie, Mikrodialyse



Ein weiterer, von Rebecca Schulte geführter Forschungszweig beschäftigt sich mit der Parasit-Wirt Interaktion. Parasiten stellen einen der stärksten Selektionsdrücke in der Natur dar, denn:

  • Sie sind allgegenwärtig. Jede Art hat zumindest potentiell Parasiten.
  • Sie reduzieren per Definition die Wirtsfitness. Daher sollten die Wirte Gegenmaflnahmen entwickeln, um dem Parasitenbefall zu entkommen.
  • Sie haben i.d.R. ein höheres evolutives Potential als ihre Wirte und können sich daher schneller anpassen.

Parasit-Wirt Interaktionen sind daher von evolutionären Dynamiken geprägt, die am stärksten sein sollten, wenn Parasit und Wirt coevolvieren.
Parasiten können jedoch nicht nur mit ihrem Wirt interagieren. Befallen unterschiedliche Arten oder Stämme von Parasiten denselben Wirt, so stellt der Wirt eine limitierte Ressource dar, um die die Parasiten konkurrieren. Alternativ können die Parasiten kooperieren, um den Wirt effizienter auszunutzen. Je nachdem, wie die Parasiten interagieren, sollte dies wiederum die Interaktion zwischen Parasit und Wirt, z.B. auf Ebene der Virulenz beeinflussen.

Um Fragen dieser Thematik zu beantworten, arbeiten wir mit dem Nematoden Caenorhabditis elegans und dem Bakterium Bacillus thuringiensis. Diese Modellsysteme ermöglichen uns nicht nur die Parasit-Wirt Interaktionen und die Interaktionen zwischen Bakterien innerhalb von Wirten über einen Infektionszyklus hinweg zu studieren, sondern auch, die verschiedenen Interaktionsebenen im Laufe der Evolution zu beobachten. Mit Hilfe von Evolutionsexperimenten, phänotypischer Charakterisierung und Genom-Sequenzierungen untersuchen wir zum Beispiel den Einfluss von Mehrfachinfektionen im Vergleich zu Einzelinfektionen auf die Evolution von Parasit und Wirt, aber auch den Einfluss der Wirtsevolution auf die Interaktion zwischen den Parasiten.

Der Nematode Caenorhabditis elegans eignet sich aufgrund der sehr kurzen Generationszeit von nur 2-3 Tagen hervorragend, um evolutionäre Prozesse in Echtzeit zu untersuchen.


Ausgewählte Publikationen:

McIlwrick S, Rechenberg A, Matthes M, Burgstaller J, Schwarzbauer T, Chen A, Touma C (2016): Genetic predisposition for high stress reactivity amplifies effects of early-life adversity. Psychoneuroendocrinology 70: 85-97.

Bose J, Schulte RD (2014): Testing GxG interactions between coinfecting microbial parasite genotypes within hosts. Front. Genet. 5: 124.

Heinzmann JM, Kloiber S, Mattos GE, Bielohuby M, Schmidt MV, Palme R, Holsboer F, Uhr M, Ising M, Touma C (2014): Mice selected for extremes in stress reactivity reveal key endophenotypes of major depression: A translational approach. Psychoneuroendocrinology 49: 229-243.

Knapman A, Kaltwasser SF, Martins-de-Souza D, Holsboer F, Landgraf R, Turck CW, Czisch M, Touma C (2012): Increased stress reactivity is associated with reduced hippocampal activity and neuronal integrity along with changes in energy metabolism. European Journal of Neuroscience 35: 412-422.

Refojo D, Schweizer M, Kuehne C, Ehrenberg S, Thoeringer C, Vogl AM, Dedic N, Schumacher M, von Wolff G, Avrabos C, Touma C, Engblom D, Sch¸tz G, Nave KA, Eder M, Wotjak CT, Sillaber I, Holsboer F, Wurst W, Deussing JM (2011): Glutamatergic and dopaminergic neurons mediate anxiogenic and anxiolytic effects of CRHR1. Science 333: 1903-1907.

Touma C, Gassen NC, Herrmann L, Cheung-Flynn J, B¸ll DR, Ionescu IA, Heinzmann JM, Knapman A, Siebertz A, Depping AM, Hartmann J, Hausch F, Schmidt MV, Holsboer F, Ising M, Cox MB, Schmidt U, Rein T (2011): FK506 binding protein 5 (FKBP5) shapes stress responsiveness: modulation of neuroendocrine reactivity and coping behavior. Biological Psychiatry 70: 928-936.

Knapman A, Heinzmann JM, Hellweg R, Holsboer F, Landgraf R, Touma C (2010): Increased stress reactivity is associated with cognitive deficits and decreased hippocampal brain-derived neurotrophic factor in a mouse model of affective disorders. Journal of Psychiatric Research 44: 566-575.

Schulte RD, Makus C, Hasert B, Michiels NK, Schulenburg H (2010): Multiple reciprocal adaptations and rapid genetic change upon experimental coevolution of an animal host and its microbial parasite. Proc Natl Acad Sci U S A 107: 7359-64.

Touma C, Fenzl T, Ruschel J, Palme R, Holsboer F, Kimura M, Landgraf R (2009): Rhythmicity in mice selected for extremes in stress reactivity: behavioural, endocrine and sleep changes resembling endophenotypes of major depression. PLoS ONE 4 (1): e4325.

Touma C, Bunck M, Glasl L, Nussbaumer M, Palme R, Stein H, Wolferstätter M, Zeh R, Zimbelmann M, Holsboer F, Landgraf R (2008): Mice selected for high versus low stress reactivity: a new animal model for affective disorders. Psychoneuroendocrinology 33: 839-862.

Touma C, Ambrée O, Görtz N, Keyvani K, Lewejohann L, Palme R, Paulus W, Schwarze-Eicker K, Sachser N (2004): Age- and sex-dependent development of adrenocortical hyperactivity in a transgenic mouse model of Alzheimerís disease. Neurobiology of Aging 25: 893-904.

Touma C, Palme R, Sachser N (2004): Analyzing corticosterone metabolites in fecal samples of mice: a noninvasive technique to monitor stress hormones. Hormones and Behavior 45: 10-22.