Systembiologie und Systemmedizin

Montag, 25.09.2017

Was bedeutet der Begriff "System"? Eine theoretische und praktische Betrachtung - Antrittsvorlesung von Prof. Dr. rer. nat. Hauke Busch am 26. September (17 Uhr c.t., Hörsaal H 1)

Die Komplexität lebender Organismen verwehrt uns bisher das Verständnis, wie genetische Information über Proteininteraktion in zelluläre Strukturen, Organe und letztlich in “Leben" umgesetzt werden. Die Systembiologie und -medizin versuchen diese Komplexität mittels Analyse und mathematischer Modellierung von “Omics”-Daten, wie der Genomik, Transkriptomik oder Epigenetik, aufzulösen, um z.B. die Entstehung von Krankheiten aufzuklären und individuelle Therapien für Patienten zu entwickeln. Ein großer Engpass ist hierbei das sogenannte “Valley of Death”: der Ort, an dem die Übersetzung von vielversprechenden Erkenntnissen aus den Lebenswissenschaften oftmals in der klinischen Praxis scheitert.

In dieser Vorlesung wird betrachtet, wie der Systembegriff helfen könnte, das “Valley of Death” zu überwinden. Es wird aufgezeigt, dass alle komplexen Systeme, nicht nur eine menschliche Zelle, sondern auch unsere Gesellschaft oder ein Laser, ähnlichen Gesetzmäßigkeiten in ihrer Organisation und Regulation unterliegen, die deren Homöostase und Plastizität garantieren. So sind komplexe Systeme raumzeitlich hierarchisch und modular aufgebaut und verfügen nur über wenige, einander ausschließende, stabile Zustände.

Aus dieser Abstraktion lassen sich nun verschiedene Gesetzmäßigkeiten ableiten, wie biologische Systeme ihre eigene Komplexität handhaben und steuern. Zum Beispiel laufen in einer Säugerzelle biologische Prozesse auf unterschiedlichen Zeitskalen ab, wobei die langsamen Prozesse die schnellen kontrollieren. Diese Idee kann genutzt werden, um den Zustand des sich schnell ändernden Proteomes aus der langsameren Regulation des Transkriptoms zu berechnen. Mit dieser Idee konnte zum Beispiel das regulatorische Netzwerk von differenzierenden Erythrozyten unter Einfluss von Erythropoietin auf Gen und Proteinebene rekonstruiert werden.

Auf Grund ihrer Organisation nehmen komplexe Systeme immer nur einen definierten Zustand ein. Entsprechend dieser Gesetzmässigkeit konnte gezeigt werden, wie die Migration humaner Keratinozyten über autokrines Signaling einen neuen, stabilen Zellzustand herstellt, der den Phänotyp der Zellwanderung kontrolliert. Wie die Ideen der Systemtheorie in der Onkologie helfen können, um ein besseres Verständnis für die Entstehung und Therapie von Krebs zu erhalten, wird als letztes Beispiel anhand des Attraktormodells der Zelle diskutiert.

In der Vorlesung soll vermittelt werden, wie sich Ideen der Systemtheorie auch auf andere Forschungsfragen in Biologie und Medizin anwenden lassen, um ein besseres Verständnis für das globale Zusammenspiel zwischen den verschiedenen biologischen Prozessen zu erhalten, was für die medizinische Forschung und der Entwicklung neuer therapeutischer Ansätze nutzbar sein wird.

(W2-Professur für Medizinische Systembiologie)

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