Molekulare Mechanismen der PTBS-Resilienz - Dr. med. Ulrike Schmidt - Max Planck Institut für Psychiatrie (MPI-P)
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Max Planck Institut für Psychiatrie (MPI-P) Molekulare Mechanismen der PTBS-Resilienz Dr. med. Ulrike Schmidt
Schni8stelle Neurobiologie + Psychologie "Molekularer Behaviorismus" nach John B. Watson (1878-1958): Jedes Verhalten beruht auf Reiz und ReakEon Jeder Gedankengang und jede Verhaltensweise ist das Resultat einer Kaskade molekularer ReakEonen. © Ulrike Schmidt 2016
Psychotherapie verändert Hirnstoffwechselprozesse Bildgebungs-Studien mit PTBS-Patienten Erfolgreiche Expositionstherapie (fMRT): ! Aktivität re. Amygdala ! ! Aktivität Anteriorer Cingulärer Cortex " Felmingham et al., 2007 Erfolgreiche EMDR-Therapie (HMPAO - SPECT): ! fMRT bei Patienten mit Spinnenphobie ! EMDR – responder + Non - responder Aktivierung im rechten Gyrus zeigten nach Psychotherapie signifikante 99mTcHMPAO - Verteilungsunterschiede parahippocampalis nach erfolgreicher Verhaltenstherapie nicht mehr nachweisbar. (Blutfluss - Indikator) in Cortex + Paquette et al, 2003 Hippocampus Pagani et al., 2007
Translationale Forschung Erkenntnisse aus Tiermodellen TranslaEonale Erkenntnisse aus Pflanzenmodellen+ Verknüpfung Zellkulturmodellen Erkenntnisse aus klinischen bzw. Humanstudien
Prävalenz der PTBS in der BRD 30 – Tage – Prävalenz Lebenszeit – Prävalenz (2426 Personen von 14 – 93 Jahre) (Analyse mehrerer Studien) Maercker et al, Nervenarzt. 2008 May;79(5):577- 86.
Lebenszeitprävalenz Psychischer Erkrankungen in den USA 9382 Personen ab 18 Jahre, USA 2005 Kessler, 2005 Arch Gen Psychiatry. 2005;62:593-602
Warum entwickelt nicht jeder Mensch nach einem traumatischen Erlebnis eine PTBS? Umweltbedingungen bspw. Ausmaß sozialer Unterstützung PTBS © Pitopia, Buss 2008 Körperliche Faktoren Angeborene Konstitution und molekulare Ausstattung (Hirn)-stoffwechsel- unterschiede? © Ulrike Schmidt 2014
The linked image cannot be displayed. The file may have been moved, renamed, or deleted. Verify that the link points to the correct file and location. Geschichte der EpigeneEk - Überblick ARISTOTELES( *392 vor Chr.): Begriff EpigeneEk Die Ausbildung der Organe vollzieht sich erst im Verlauf der Individualentwicklung. Der Begriff EpigeneHk leitet sich aus dem Griechischen ab, wobei der zweite Harvey, William Teil desenglischer Wortes γενεσις Entstehung Arzt + Anatom, 1651: bedeutet, die Vorsilbe εττι hingegen vertrat mehrere dieselbe Bedeutungen Theorie entwicklungsbiologische hat wiewie beispielsweise Aristoteles und darüber, bezeichnete diese als Epigenesis, womit dieser Begriff erstmalig eingeführt daneben, danach. wurde (Epigenesis stand im Gegensatz zur PräformaHonslehre) Auf letztere bezog sich Harvey, da er im 17. Jahrhundert den Begriff Conrad Hal Waddington, 1942: Epigenesis Definierte im Sinne als EpiegeneHk von„Zweig „nachträgliche Entwicklung“ der Biologie, verwendete, der die kausalen Wechselwirkungen zwischen Genen und ihren Produkten untersucht, die den Phänotyp hervorbringen“ wohingegen die moderne EpigeneEk ihre Vorsilbe in der Bedeutung von „daneben, zusätzlich“ verstanden wissen möchte, weil sie sich P.A. Jones et al, Nature Reviews 2004: (speziellere DefiniHon) Vererbungsprozessen „Der widmet, Begriff EpigeneHk definiert die parallel alle meioHsch (d. h. diezu den geneEschen Keimzellteilung Mechanismen betreffend) ablaufen.(d. h. die Zellteilung betreffend) vererbbaren und mitoHsch Veränderungen in der Genexpression, die nicht in der DNA-Sequenz selbst kodiert sind“ © Ulrike Schmidt 2012
Allgemeines FunkEonsprinzip des Epigenoms Das Epigenom programmiert die AkEvität unseres Genoms, unserer ErbinformaEon; durch epigeneEsche Schalter können Gene an - und abgeschaltet werden. ProteinprodukEon DNA AkEve DNA CH3 DNA Stumme DNA
Allgemeine Bedeutung des Epigenoms StaEsches Epigenom Dynamisches Epigenom (unveränderliche epigenet. Programmierung) (flexible Programmierung) Intra-individuelle Inter-spezielle Anpassung an veränderte Ausdifferenzierung von Ausdifferenzierung Umweltbedingungen Zelltypen + Organen (Ausbildung von Arten) bspw. Stress, ( alle Zellen tragen dieselbe traumaEscher Stress ErbinformaEon! ) © Ulrike Schmidt 2012
FunkEonsprinzipien epigeneEscher Schalter Promotor Gen CpG-Inseln sitzen bevorzugt auf den Promotoren, den Steuerelementen 1. DNA - Methylierung + Acetylierung der Gene 2. Histon-Acetylierung 3. RNA- Interferenz CpG-DinukleoEde © Ulrike Schmidt 2012
FunkEonsprinzipien epigeneEscher Schalter II 2. Histon-Acetylierung Histon AkEve DNA (linear) (auf Histone aufgewickelt) © Ulrike Schmidt 2012
FunkEonsprinzipien epigeneEscher Schalter III DNA 3. RNA- Interferenz RNA G Protein © Ulrike Schmidt 2014
Zusammenfassung: FunkEonsprinzipien epigeneEscher Schalter Mi8els folgender 3 epigeneEscher Mechanismen können Gene stumm geschaltet werden: Dynamisches Epigenom (flexible Programmierung) Promotor 1. DNA - Methylierung + Acetylierung Anpassung an veränderte Umweltbedingungen Gen bspw. Stress, 2. Histon - Acetylierung traumaEscher Stress 3. RNA - Interferenz © Ulrike Schmidt 2014
Die molekularen Ursache(n) der PTBS sind unbekannt - Einige "Puzzlesteine" geben erste Hinweise - ige nom Ep r E s ol- Co us halt Ha id a ten- Kand o le küle m ca m pus o Hipp sche m ygdala Ge ne E +A n e n? re na lin – Varia E o Ad au shalt H © Ulrike Schmidt 2012
GeneEsche MutaEonen und SNPs Basen ("Buchstabencode") MutaEon: Basenaustausch oder – Fehlen (DeleEon) führt zur Veränderung der Aminosäure-Sequenz – Vererbung möglich SNP (single nucleoEde polymorphismus): Basenaustausch, der nicht zur Aminosäuresequenz- Protein Veränderung führt – ("Aminosäurecode") FunkEonen von SNPs meist unklar. Vererbung möglich © Ulrike Schmidt 2012
GeneEsche MutaEonen können zu Krankheiten führen Beispiel: Sichelzellanämie • Schützt vor Malaria • Menschen aber durch Blutarmut nicht so belastungsfähig und neigen zu Organ-Infarkten • MutaEon im Hämoglobin-Gen (roter Blu{arbstoff) Normal Sichelzellanämie Es wurden zahllose geneHsche Untersuchungen an PaHenten mit psychischen Erkrankungen durchgeführt- es konnten bislang keine geneEschen MutaEonen entdeckt werden, die als ursächlich für irgendeine psychische Erkrankung anzusehen sind. Psychische Erkrankungen und somit auch Traumafolgestörungen wie bspw. die PTBS sind also mitan Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit nicht auf geneEsche MutaEonen zurückführen, wie es bspw. bei der Sichelzellenanämie der Fall ist. © Ulrike Schmidt 2012
GeneEsche MutaEonen und SNPs Basen ("Buchstabencode") MutaEon: Basenaustausch oder – Fehlen (DeleEon) führt zur Veränderung der Aminosäure-Sequenz – Vererbung möglich SNP (single nucleoEde polymorphismus): Basenaustausch, der nicht zur Aminosäuresequenz- Protein Veränderung führt – ("Aminosäurecode") FunkEonen von SNPs meist unklar. Vererbung möglich © Ulrike Schmidt 2012
etik Gen Kandidatengen-Studien in PTBS – Patienten - Kollektiven BesEmmte SNPs in besEmmten Genen Kandidatengen-Studien kommen bei PTBS-PaEenten und Hinsichtlich welcher SNPs unter- Gesunden unterschiedlich häufig vor. scheiden Was diesesich Gesunde von PTBS- Gensequenz-VariaEonen bedeuten, ist PaEenten? aktuell jedoch (StaEsEsche noch unklar. Häufigkeit) Bereits Zahlreiche Studien – Man hält jene Gene, die hinsichtlich besEmmter SNPs zwischen PTBS-Pat.+ U.a. wurden Gesunden AssoziaHonen variieren, für diemit SNPs in folgenden Genen nachgewiesen: PTBS-Entstehung für bedeutsam. FKBP5, PCAP, GR, BDNF, NPY, DAT etc… Marily C. Cornelis et la.. et al, Curr.Psych.Rep.2011
GeneEc Polymorphisms (SNPs) in PTSD Candidate gene association studies Genome wide association studies (GWAS) © Ulrike Schmidt 2013
GeneEc Polymorphisms (SNPs) in PTSD Genome wide association studies (GWAS) 1. Biol Psychiatry. 2013 Nov 1;74(9):656-63. Authors: Xie et. al. Genome-wide AssociaEon Study IdenEfies New SuscepEbility Loci for Pos8raumaEc Stress Disorder. # SNP in Tolloid-Like 1 gene (TLL1) (metalloprotease funcEon) 2. Mol Psychiatry. 2013 Aug Authors: Logue et al. A genome-wide associaEon study of post-traumaEcstress disorder idenEfies the reEnoid- related orphan receptor alpha (RORA) gene as a significant risk locus. # SNP in reEnoid-related orphan receptor alpha (RORA) (nuclear recptor) 3. Clin Med Res. 2013 Sep Athors: Shen et al. Genome-Wide AssociaEon Study of Anxiety Disorders: Early Results from Kaiser Permanente's Research Program on Genes, Environment, and Health (RPGEH). # SuggesEve associaEon with SNP in near the ANKRD20A gene (ankyrin repeat region) 4. Psychoneuroendocrinology 2013 Sep Authors: GuffanE et al. Genome-wide associaEon study implicates a novel RNA gene, the lincRNA AC068718.1, as a risk factor for post-traumaEc stress disorder in women. # SNP in novel RNA gene, the lincRNA AC068718.1 © Ulrike Schmidt 2016
GeneEc Polymorphisms (SNPs) in PTSD -II Genome wide association studies (GWAS) 5. Proc Natl Acad Sci U S A. 2013 Human genome-guided idenEficaEon of memory-modulaEng drugs. Authors: PapassoHropoulos A, Gerhards C, Heck A, Ackermann S, Aerni A, Schicktanz N, Auschra B, Demougin P, Mumme E, Elbert T, Ertl V, Gschwind L, Hanser E, Huynh KD, Jessen F, Kolassa IT, Milnik A, Paganed P, Spalek K, Vogler C, Muhs A, Pfeifer A, de Quervain DJ. # •assessment of aversive memory in healthy - a trait central to posfraumaHc stress in healthy individuals. •IdenHficaHon of 20 potenEal drug target genes in two genomewide-corrected gene sets: the neuroacHve ligand-receptor interacHon and the long-term depression gene set. •Pharmacological intervenEon at the neuroacEve ligand-receptor interacEon gene set led to significant reducEon of aversive memory © Ulrike Schmidt 2016
Biochips/Microarrays - Highthroughput Analyses - DNA probes RNA probes Antibodies (DNA methylation) Examples
Hochdurchsatznalyse zeigt veränderte Genaktivitäten bei PTBS – Patienten nach Terrorangriff vom 11. September 2001 PTBS Keine PTBS HPA-Achsen- FKBP5 STAT5B Assoziierte NFIA CPNE1 Gene TSC1 ADAM17 RNF181 MYO1C MOBKL1B GBA C2orf34 TMEM167A MAST4 ASAH1 CGGBP1 FAM175B BIN1 METTL7A TMEM49 RPS6KA5 DR HLA-DRB1 MAN2C1 DDX17 nach Yehuda et al., Biol. Psych. (2009)
m pigeno E Bisherige Erkenntnisse über Psychotrauma + PTBS-assoziierte epigeneEsche Veränderungen
Vasopressin FKBP 5 GR
Frühkindlicher Stress erzeugt bei Mäusen anhaltende Veränderungen des Epigenoms und des Verhaltens ige nom Ep 3 h $ Trennung von der Mutter Vom 1. bis 10. Lebenstag empty Frühkindlicher Trennungsstress erzeugt bei Mäusen nest ! epigenetische Veränderungen (Methylierungs- muster) des Vasopressin Gens ! Veränderungen des Stresshormonhaushalts ! Depressionsähnliches Verhalten Murgatroyd C et al. Nature Neurosci. 2009
Langzeit - Cortisol-Therapie macht Mäuse ängstlicher eno m E pig und ändert Methylierung des FKBP5 - Gens Kontrollmäuse Mäuse mit Cortisol-Behandlung FKBP 5 GR Vasopressin FKBP 5 GR Endocrinology September 1, 2010 vol. 151 no. 9 4332-4343 Lee et al.
Vasopressin FKBP 5 GR
Der Zeitpunkt des Traumas besEmmt die Veränderung der HPA-Achse bei PTBS-PaEenten Trauma im Erwachsenenalter Trauma in Kindheit+Jugend Zaba et al., 2014
Wo und wie wirkt das Stresshormon CorEsol? CORT CORT GR MR FKBP51 - GR MR FKBP52 + Cytosol GRE Zellkern DNA © Ulrike Schmidt 2014
Der Zeitpunkt des Traumas besEmmt die Veränderung der HPA-Achse © Ulrike Schmidt 2014
FKBP5 ist bei Respondern und Nonrespondern unterschiedlich methyliert 450K Illumina Bead Chip analysis %18 Gene sind diffrnetiell methyliert zwischen Respondern und Nonrespondern, unter ihnen FKBP5 Zaba at al, Psychoneuroendocrinology 2015
Allel-spezifische Demethylierung von FKBP5 ist assoziiert mit erhöhter Prädisposition für PTBS nach Kindheitstrauma Demethylierung FKBP5 - DNA FKBP5 - DNA T FKBP5 – Risiko-Allel • Veränderte ProteinprodukEon von FKBP51 KINDHEITSTRAUMA • Veränderte HPA-Achsen AkEvität • Assoziiert mir PTBS-Symptomen im Erwachsenenalter Klengel et al. Nature Neurosci. 2012
Mäuse ohne FKBP5-Protein zeigen ein besseres Stressbewältigungsverhalten Ist ein Medikament, dass die Wirkung von FKBP5Stressverhalten Stresshormonspiegel abschwächt und damit die Cortisol-Ausschüttung beeinflusst gegen PTBS wirksam? Vergleich Potentielles FKBP 5 Medikament Stress-Verhalten? © Ulrike Schmidt 2011 Stress-Hormone?
Frühkindlicher Stress durch mü8erliche Vernachlässigung wird epigeneEsch an Enkel weitergegeben Eltern FKBP 5 GR Vasopressin Enkelgeneration FKBP 5 GR
Biochips/Microarrays - Highthroughput Analyses - DNA probes RNA probes Antibodies (DNA methylation) Examples
miRNAs as PTSD therapy markers in mice Top 20 candidates out of ~ 1200 miRNAs * mPFC " Fluoxetine counteracts PTSD-related changes in miRNA expression in mPFC Schmidt U. et al, Frontiers Psychiatry 2013
Klinische Studie zur Identifikation epigenetischer PTBS-Kandidatenmoleküle Epigenetic and immune function profiles associated with posttraumatic stress disorder. Uddin M. et al Proc Natl Acad Sci U S A. 2010 May 18;107(20):9470-5. Ein Kandidatenmolekül, Hochdurchsatzanalyse dass bei PTBS- von ca. 28.000 PaEenten anders Methylierungsstellen epigeneEsch reguliert pro PaEenten bzw. ist: MAN2C1 gesunder Kontrolle Gene expression and methylation signatures of MAN2C1 are associated with PTSD. Uddin M. et al. In Dis Markers. 2011 Jan;30(2-3):111-21. (Man2C1 ist u.a. für die Immunfunktion der Immun-T-Zellen wichtig) Schmidt U. et al, Disease Markers 2011
Frühkindlicher Missbrauch ändert die epigenetische Programmierung in Hippocampus-Nervenzellen nom e Epig Post mortem Studie Vergleich Methylierung In Hippocampus-Neuronen 16 Suizidopfer MIT 16 Suizidopfer OHNE frühkindlichem Missbrauch 248 Gene waren in frühkindlichem Missbrauch Miissbrauchs-Opfern hypermethyliert und 114 hypomethyliert Arch Gen Psychiatry. 2012 Jul 1;69(7):722-31. Labonté B, et. Al.
Weiterführende, aktuelle Studien
Liste von Studien, die Zusammenhang zwischen epigenet. Veränderungen und mRNA expression in PTBS-Patienten zeigen Global erhöhte Methylerierungs- Level in PTBS-Patienten PACAP cAMP Malan-Müller, 2013
German Armed Forces PTSD Biomarker Study (started in 2011) Molecular highthroughput analyses: 00 CH3 – profiles ~ 450.000 CH3 loci 00 RNA – profiles ~ 60.000 mRNAs + PTSD 160 ~ 2000 miRNAs 160 - PTSD Endocrine Profiles Predeployment AFGHANISTAN Postdeployment Samples Samples AIMS: 1.IdenHficaHon of molecular + imaging PTSD risk markers 2.IdenHficaHon of molecular + imaging PTSD disease markers © Ulrike Schmidt, MPI-P 2013
BMBF Missbrauch, Vernachlässigung und Gewalt Verbundprojekt D-CPT, Teilprojekt Epigenetik A Speichelprobensammlung in allen Studienzentren (Adoleszente + junge Erwachsene): 2 Therapiegruppen: D-CPT + TAU put: es~450.000 B Epigenetische Analysen im MPI f. Psychiatrie : DNA Extraktion aus allen Speichelprobenroben Methylgruppenprofilanalyse im Hochdurchsatzverfahren ( Epigenetik-Microarray) → Vergleich der DNA-Methylgruppenprofile der Therapiegruppen vor + nach Therapie a) IdenEfikaEon epigeneEscher PTBS-Biomarker ZIELE b) IdenEfikaEon v. Zielstrukturen für potenEelle neue PTBS-Psychopharmaka
TransgeneraEonale Vererbung erworbener epigeneEscher Veränderungen
Welche Spuren kann eine TraumaEsierung der Eltern bei ihren Kindern/Enkeln hinterlassen? ige nom Ep SekundärtramaEsierung Ein Kind kann durch die TraumaEsierung seiner Eltern geprägte !(krankha‚e und nicht krankha‚e) VERHALTENSWEISEN erlernen (Lernen am Modell) !FunkEonale und dysfunkEonale ÜBERZEUGUNGEN + DENKSTILE übernehmen !Sollte das Elternteil eine GENETISCHE VERANLAGUNG (bspw. besEmmte SNPs) zur Entwicklung psych. Erkrankungen wie bspw. PTBS tragen, kann diese vererbt werden !Hilfreiche oder störende EPIGENETISCHE VERÄNDERUNGEN des Gehirn- und Stressachsen-Stoffwechsel der Eltern vererbt bekommen, sofern es nach der TraumaEsierung der Eltern geboren worden ist. Diese sind ggf. über viele weitere GeneraEonen hinweg vererblich. © Ulrike Schmidt 2012
Prinzipien epigenetischer Vererbung Über die Keimzellen ! Nach der Befruchtung werden die meisten epigeneEschen Markierungen gelöscht und nur die „ar8ypischen" beibehalten ! Die RegulaEon und der Ablauf dieses Prozesses ist noch überwiegend ungeklärt, insbesondere auch, ob und welche Umwelt, also bspw. Stress-induzierten, epig. Veränderungen über die Keimzellen vererbt werden können. Keimzellen-unabhängig ! Bspw. über Stresshormon (vor allem HPA-Achsen-induzierte epigeneEsche Programmierung der Ungeborenen im Mu8erbauch oder in der Kindheitsphase Bei vielen beobachteten epigeneEschen Vererbungsphänomenen ist die molekulare Grundlage der Vererbung ungeklärt! © Ulrike Schmidt 2014
ige nom Ernährung beeinflusst Nachkommen – Ep auch beim Menschen (Schweden) Longevity Determined by Parental Ancestors’ NutriEon During Their Slow Growth Period (Överkalix-Studie) Lars Olov Bygren, Gunnar Kaa< & Edvinsson Acta Biotheore
Ernährung beeinflusst Nachkommen – auch beim Menschen, zweites Beispiel: (Holland) Famine, Maternal NutriEon and Infant Mortality: A Re-ExaminaEon of the Dutch Hunger Winter, („Dutch famine“ -Studie) Harty, Nicky: PopulaEon Studies Vol. 47, No. 1 (Mar., 1993), pp. 27–46 ! 18.000 Menschen starben ! Frauen , die untergewichEge Kinder gebaren, ha8en auch signifikant häufiger untergewichEge Enkel! Mangel/ bzw. Fehlernährung + ! Frauen, die die Hungersnot im Mu8erleib (als Fötus) Hungerkatastrophen wirken miterlebten, zeigten sich bei später Tier in neuropsycholog. und Mensch über Experimenten Aufmerksamkeitsdefizite, die auf einen vorzeiEgenepigeneEsche Alterungsprozess schließen lassen Mechanismen auf die Nachkommen aus! Hollands "Hunger-Winter 5 Monate-"1944-45" © Ulrike Schmidt 2014
TraumaEscher Stress in der Schwangerscha‚ ändert Stresshormonhaushalt der Nachkommen Terroranschlag 11.09.2001, New York Gruppe von Müttern, die den Terrorangriff in schwangerem Zustand erlebten Mütter MIT PTBS CORTISOL " Mütter OHNE PTBS CORTISOL normal Neugeborene CORTISOL " Neugeborene CORTISOL normal Kinder, die VOR Traumatisierung Kinder, die VOR Traumatisierung Geboren wurden CORTISOL normal Geboren wurden CORTISOL normal aus Yehuda et al., J. Clin. Endocrinol.2005
Kinder und Enkel von Holocaust-Opfern weisen Veränderungen der HPA-Achse (Cortisol-Spiegel) auf Aus: TransgeneraEonal Transmission of CorEsol and PTSD risk Yehuda, 2008
……. diese gehen mit Methylierungs-veränderungen des GR einher ern Ergebnisse legen differentiellen Einfluss maternaler und paternaler Gene bei der Väter transgenrationalen Vererbung der PTBS nahe des eile Aus: Influences of Maternal and Paternal PTSD on Epigenetic Regulation of the Glucocorticoid Receptor Gene in Holocaust Survivor Offspring Yehuda, Am J Psychiatry. 2014 May
Zusammenfassung Organismen können sich dank epigenetischer Adaptationsprozesse an veränderte Umweltbedingungen, wie bspw. Stress und traumatischen Stress, anpassen Bei Überforderung dieser Adaptationsmechanismen können Krankheiten, wie bspw. die PTBS entstehen Traumata in der Entwicklungsphase (Kindheit) können zu dauerhaften Änderungen des epigenetischen Codes und damit zu Veränderungen von Genaktivitäten führen, wodurch wiederum Verhaltensänderungen (Symptome) entstehen können Es wurden bereits einige PTBS-assoziierte epigenetische Veränderungen nachgewiesen, vor solche, die die Aktivität der HPA-Achse beeinflussen, welche wiederum die synaptische Plastizität im zentralen Nervensystem beeinflusst – Hippocampus+Amygdala spielen große Rolle Einige Arbeiten deuten darauf hin, dass durch traumatischen Stress erworbene epigenetische Veränderungen/Merkmale an nachfolgende Generationen weitergegeben werden können
Resilienz vs. Vulnerabilität Resilienz ? Vulnerabilität Resilienz Vulnerabilität
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Max Planck Institut für Psychiatrie (MPI-P)
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