Brain Genomics

Die Arbeitsgruppe „Brain Genomics“ untersucht den Einfluss der genomischen Variabilität auf interindividuelle Unterschiede in der Struktur und Funktion des menschlichen Gehirns.

Genetische Grundlagen von Hirnstruktur und -funktion

Das menschliche Gehirn ist ein hochkomplexes Organ, dessen Struktur und Funktion für die Entstehung und den Verlauf von neurologischen und psychischen Erkrankungen von Bedeutung sind. Die Struktur und Funktion des Gehirns werden durch genetische und umweltbedingte Faktoren beeinflusst. Im Rahmen von formal- und molekulargenetischen Studien konnte gezeigt werden, dass die Varianz von Hirnbildgebungsphänotypen erheblich durch genetische Faktoren beeinflusst wird (z. B. Peper et al., 2007; Elliot et al., 2018).

Mittels Genomic Imaging Analysen kann der Beitrag einzelner genetischer Varianten zur Variabilität der Hirnstruktur und -funktion systematisch untersucht werden. In den letzten Jahren haben große genomweite Assoziationsstudien (GWAS) und GWAS-Metaanalysen von Hirnbildgebungsdaten (z. B. Magnetresonanztomographiedaten) erste wichtige Einblicke in die molekularen Grundlagen der Struktur und Funktion des menschlichen Gehirns erbracht. Im Rahmen einer großen Metaanalyse von Grasby und Kollegen (2020), zu denen unsere Arbeitsgruppe beigetragen hat, wurden beispielsweise die genetischen und Hirnbildgebungsdaten von mehr als 51000 Personen untersucht und mehr als 200 genomweit signifikante Loci identifiziert, die mit der kortikalen Oberfläche und Dicke im Zusammenhang stehen.

Forschungskonzept

Der Forschungsschwerpunkt unserer Arbeitsgruppe ist die Analyse des Beitrags von genomischen Faktoren zur Variabilität der Struktur und Funktion des menschlichen Gehirns. Hierzu führen wir integrative Analysen von genomischen und weiteren Omics-Daten mit Daten zur Hirnstruktur und -funktion durch. Für die Generierung der Omics-Daten werden innovative molekulargenetische Methoden und Technologien verwendet, die das gesamte Spektrum genomischer und genomisch-funktioneller Varianz abdecken. Einen besonderen Fokus stellt zudem die kombinierte Analyse der molekularbiologischen Daten mit neuesten zytoarchitektonischen Daten und Daten aus Bildgebungsatlanten (z. B. Julich-Brain Atlas, Amunts et al., 2020) dar.

Durch die integrative Analyse sollen die zugrundeliegenden biologischen Mechanismen genauer charakterisiert werden. Zudem werden mit kooperierenden Arbeitsgruppen fortlaufend innovative Analysemethoden und -strategien (z. B. Machine Learning) implementiert und auf die erhobenen Datensätze angewandt. Eine zentrale Aufgabe unserer Arbeitsgruppe ist ebenfalls die Translation der erzielten Befunde in die klinische Praxis.

Die Arbeitsgruppe „Brain Genomics“ arbeitet eng mit der Arbeitsgruppe Genomic Imaging am Institut für Neurowissenschaften und Medizin (INM-1) des Forschungszentrums Jülich zusammen. Neben den Rechenressourcen der Universität Bonn steht ihr daher auch das Jülich Supercomputing Centre für bioinformatische Analysen zur Verfügung. Darüber hinaus ist unsere Arbeitsgruppe auf nationaler und internationaler Ebene sehr gut vernetzt. Sie ist in zahlreiche Forschungsverbünde eingebunden (z. B. DFG FOR2107, Social Phobia Research, ENIGMA, Psychiatric Genomics Consortium) und hat Zugriff auf große Patienten- und Kontrollkollektive (z. B. 1000 Gehirne-Studie).

Unser Projektleiter

Prof. Dr. med. Andreas Forstner

Facharzt für Humangenetik Professor für Brain Genomics

Tel. BMZ: 0228 – 287 – 51733
Tel. Genomics: 0228 – 6885 – 412
E-Mail: forstner@uni-bonn.de

Unsere Mitarbeiter

Friederike David

Naturwissenschaftliche Doktorandin

Tel. Genomics: 0228 – 6885 – 434
E-Mail: friederike.david@uni-bonn.de

Dr. rer. nat. Lisa Sindermann

Wissenschaftliche Mitarbeiterin

Tel. Genomics: 0228 – 6885 – 412
E-Mail: lisa.sindermann@uni-bonn.de

Lydia Federmann

Naturwissenschaftliche Doktorandin Forschungszentrum Jülich

Tel. Genomics: 02461 – 61 – 85740
E-Mail: l.federmann@fz-juelich.de

Ausgewählte Publikationen

Quantifying Deviations of Brain Structure and Function in Major Depressive Disorder Across Neuroimaging Modalities.

Winter NR, Leenings R, Ernsting J, Sarink K, Fisch L, Emden D, Blanke J, Goltermann J, Opel N, Barkhau C, Meinert S, Dohm K, Repple J, Mauritz M, Gruber M, Leehr EJ, Grotegerd D, Redlich R, Jansen A, Nenadic I, Nöthen MM, Forstner A, Rietschel M, Groß J, Bauer J, Heindel W, Andlauer T, Eickhoff SB, Kircher T, Dannlowski U, Hahn T.

JAMA Psychiatry. 2022; 79:879-888.

Genetic variants associated with longitudinal changes in brain structure across the lifespan.

Brouwer RM, Klein M, Grasby KL, Schnack HG, Jahanshad N, Teeuw J, Thomopoulos SI, Sprooten E, Franz CE, Gogtay N, Kremen WS, Panizzon MS, Olde Loohuis LM, Whelan CD, Aghajani M, Alloza C, Alnæs D, Artiges E, Ayesa-Arriola R, Barker GJ, Bastin ME, Blok E, Bøen E, Breukelaar IA, Bright JK, Buimer EEL, Bülow R, Cannon DM, Ciufolini S, Crossley NA, Damatac CG, Dazzan P, de Mol CL, de Zwarte SMC, Desrivières S, Díaz-Caneja CM, Doan NT, Dohm K, Fröhner JH, Goltermann J, Grigis A, Grotegerd D, Han LKM, Harris MA, Hartman CA, Heany SJ, Heindel W, Heslenfeld DJ, Hohmann S, Ittermann B, Jansen PR, Janssen J, Jia T, Jiang J, Jockwitz C, Karali T, Keeser D, Koevoets MGJC, Lenroot RK, Malchow B, Mandl RCW, Medel V, Meinert S, Morgan CA, Mühleisen TW, Nabulsi L, Opel N, de la Foz VO, Overs BJ, Paillère Martinot ML, Redlich R, Marques TR, Repple J, Roberts G, Roshchupkin GV, Setiaman N, Shumskaya E, Stein F, Sudre G, Takahashi S, Thalamuthu A, Tordesillas-Gutiérrez D, van der Lugt A, van Haren NEM, Wardlaw JM, Wen W, Westeneng HJ, Wittfeld K, Zhu AH, Zugman A, Armstrong NJ, Bonfiglio G, Bralten J, Dalvie S, Davies G, Di Forti M, Ding L, Donohoe G, Forstner AJ, Gonzalez-Peñas J, Guimaraes JPOFT, Homuth G, Hottenga JJ, Knol MJ, Kwok JBJ, Le Hellard S, Mather KA, Milaneschi Y, Morris DW, Nöthen MM, Papiol S, Rietschel M, Santoro ML, Steen VM, Stein JL, Streit F, Tankard RM, Teumer A, van ‚t Ent D, van der Meer D, van Eijk KR, Vassos E, Vázquez-Bourgon J, Witt SH; IMAGEN Consortium; Adams HHH, Agartz I, Ames D, Amunts K, Andreassen OA, Arango C, Banaschewski T, Baune BT, Belangero SI, Bokde ALW, Boomsma DI, Bressan RA, Brodaty H, Buitelaar JK, Cahn W, Caspers S, Cichon S, Crespo-Facorro B, Cox SR, Dannlowski U, Elvsåshagen T, Espeseth T, Falkai PG, Fisher SE, Flor H, Fullerton JM, Garavan H, Gowland PA, Grabe HJ, Hahn T, Heinz A, Hillegers M, Hoare J, Hoekstra PJ, Ikram MA, Jackowski AP, Jansen A, Jönsson EG, Kahn RS, Kircher T, Korgaonkar MS, Krug A, Lemaitre H, Malt UF, Martinot JL, McDonald C, Mitchell PB, Muetzel RL, Murray RM, Nees F, Nenadić I, Oosterlaan J, Ophoff RA, Pan PM, Penninx BWJH, Poustka L, Sachdev PS, Salum GA, Schofield PR, Schumann G, Shaw P, Sim K, Smolka MN, Stein DJ, Trollor JN, van den Berg LH, Veldink JH, Walter H, Westlye LT, Whelan R, White T, Wright MJ, Medland SE, Franke B, Thompson PM, Hulshoff Pol HE.

Nat Neurosci. 2022; 25:421-432.

Interaction of developmental factors and ordinary stressful life events on brain structure in adults.

Ringwald KG, Meller T, Schmitt S, Andlauer TFM, Stein F, Brosch K, Pfarr JK, Steinsträter O, Meinert S, Lemke H, Waltemate L, Thiel K, Grotegerd D, Enneking V, Klug M, Jansen A, Forstner AJ, Streit F, Witt SH, Rietschel M, Müller-Myhsok B, Nöthen MM, Dannlowski U, Krug A, Nenadić I, Kircher T.

Neuroimage Clin. 2021; 30:102683.

Apolipoprotein E homozygous ε4 allele status: Effects on cortical structure and white matter integrity in a young to mid-age sample.

Goltermann J, Repple J, Redlich R, Dohm K, Flint C, Grotegerd D, Waltemate L, Lemke H, Fingas SM, Meinert S, Enneking V, Hahn T, Bauer J, Schmitt S, Meller T, Stein F, Brosch K, Steinsträter O, Jansen A, Krug A, Nenadić I, Baune BT, Rietschel M, Witt S, Forstner AJ, Nöthen M, Johnen A, Alferink J, Kircher T, Dannlowski U, Opel N.

Eur Neuropsychopharmacol. 2021; 46:93-104.

The genetic architecture of the human cerebral cortex.

Grasby KL, Jahanshad N, Painter JN, Colodro-Conde L, Bralten J, Hibar DP, Lind PA, Pizzagalli F, Ching CRK, McMahon MAB, Shatokhina N, Zsembik LCP, Thomopoulos SI, Zhu AH, Strike LT, Agartz I, Alhusaini S, Almeida MAA, Alnæs D, Amlien IK, Andersson M, Ard T, Armstrong NJ, Ashley-Koch A, Atkins JR, Bernard M, Brouwer RM, Buimer EEL, Bülow R, Bürger C, Cannon DM, Chakravarty M, Chen Q, Cheung JW, Couvy-Duchesne B, Dale AM, Dalvie S, de Araujo TK, de Zubicaray GI, de Zwarte SMC, den Braber A, Doan NT, Dohm K, Ehrlich S, Engelbrecht HR, Erk S, Fan CC, Fedko IO, Foley SF, Ford JM, Fukunaga M, Garrett ME, Ge T, Giddaluru S, Goldman AL, Green MJ, Groenewold NA, Grotegerd D, Gurholt TP, Gutman BA, Hansell NK, Harris MA, Harrison MB, Haswell CC, Hauser M, Herms S, Heslenfeld DJ, Ho NF, Hoehn D, Hoffmann P, Holleran L, Hoogman M, Hottenga JJ, Ikeda M, Janowitz D, Jansen IE, Jia T, Jockwitz C, Kanai R, Karama S, Kasperaviciute D, Kaufmann T, Kelly S, Kikuchi M, Klein M, Knapp M, Knodt AR, Krämer B, Lam M, Lancaster TM, Lee PH, Lett TA, Lewis LB, Lopes-Cendes I, Luciano M, Macciardi F, Marquand AF, Mathias SR, Melzer TR, Milaneschi Y, Mirza-Schreiber N, Moreira JCV, Mühleisen TW, Müller-Myhsok B, Najt P, Nakahara S, Nho K, Olde Loohuis LM, Orfanos DP, Pearson JF, Pitcher TL, Pütz B, Quidé Y, Ragothaman A, Rashid FM, Reay WR, Redlich R, Reinbold CS, Repple J, Richard G, Riedel BC, Risacher SL, Rocha CS, Mota NR, Salminen L, Saremi A, Saykin AJ, Schlag F, Schmaal L, Schofield PR, Secolin R, Shapland CY, Shen L, Shin J, Shumskaya E, Sønderby IE, Sprooten E, Tansey KE, Teumer A, Thalamuthu A, Tordesillas-Gutiérrez D, Turner JA, Uhlmann A, Vallerga CL, van der Meer D, van Donkelaar MMJ, van Eijk L, van Erp TGM, van Haren NEM, van Rooij D, van Tol MJ, Veldink JH, Verhoef E, Walton E, Wang M, Wang Y, Wardlaw JM, Wen W, Westlye LT, Whelan CD, Witt SH, Wittfeld K, Wolf C, Wolfers T, Wu JQ, Yasuda CL, Zaremba D, Zhang Z, Zwiers MP, Artiges E, Assareh AA, Ayesa-Arriola R, Belger A, Brandt CL, Brown GG, Cichon S, Curran JE, Davies GE, Degenhardt F, Dennis MF, Dietsche B, Djurovic S, Doherty CP, Espiritu R, Garijo D, Gil Y, Gowland PA, Green RC, Häusler AN, Heindel W, Ho BC, Hoffmann WU, Holsboer F, Homuth G, Hosten N, Jack CR Jr, Jang M, Jansen A, Kimbrel NA, Kolskår K, Koops S, Krug A, Lim KO, Luykx JJ, Mathalon DH, Mather KA, Mattay VS, Matthews S, Mayoral Van Son J, McEwen SC, Melle I, Morris DW, Mueller BA, Nauck M, Nordvik JE, Nöthen MM, O’Leary DS, Opel N, Martinot MP, Pike GB, Preda A, Quinlan EB, Rasser PE, Ratnakar V, Reppermund S, Steen VM, Tooney PA, Torres FR, Veltman DJ, Voyvodic JT, Whelan R, White T, Yamamori H, Adams HHH, Bis JC, Debette S, Decarli C, Fornage M, Gudnason V, Hofer E, Ikram MA, Launer L, Longstreth WT, Lopez OL, Mazoyer B, Mosley TH, Roshchupkin GV, Satizabal CL, Schmidt R, Seshadri S, Yang Q; Alzheimer’s Disease Neuroimaging Initiative; CHARGE Consortium; EPIGEN Consortium; IMAGEN Consortium; SYS Consortium; Parkinson’s Progression Markers Initiative, Alvim MKM, Ames D, Anderson TJ, Andreassen OA, Arias-Vasquez A, Bastin ME, Baune BT, Beckham JC, Blangero J, Boomsma DI, Brodaty H, Brunner HG, Buckner RL, Buitelaar JK, Bustillo JR, Cahn W, Cairns MJ, Calhoun V, Carr VJ, Caseras X, Caspers S, Cavalleri GL, Cendes F, Corvin A, Crespo-Facorro B, Dalrymple-Alford JC, Dannlowski U, de Geus EJC, Deary IJ, Delanty N, Depondt C, Desrivières S, Donohoe G, Espeseth T, Fernández G, Fisher SE, Flor H, Forstner AJ, Francks C, Franke B, Glahn DC, Gollub RL, Grabe HJ, Gruber O, Håberg AK, Hariri AR, Hartman CA, Hashimoto R, Heinz A, Henskens FA, Hillegers MHJ, Hoekstra PJ, Holmes AJ, Hong LE, Hopkins WD, Hulshoff Pol HE, Jernigan TL, Jönsson EG, Kahn RS, Kennedy MA, Kircher TTJ, Kochunov P, Kwok JBJ, Le Hellard S, Loughland CM, Martin NG, Martinot JL, McDonald C, McMahon KL, Meyer-Lindenberg A, Michie PT, Morey RA, Mowry B, Nyberg L, Oosterlaan J, Ophoff RA, Pantelis C, Paus T, Pausova Z, Penninx BWJH, Polderman TJC, Posthuma D, Rietschel M, Roffman JL, Rowland LM, Sachdev PS, Sämann PG, Schall U, Schumann G, Scott RJ, Sim K, Sisodiya SM, Smoller JW, Sommer IE, St Pourcain B, Stein DJ, Toga AW, Trollor JN, Van der Wee NJA, van ‚t Ent D, Völzke H, Walter H, Weber B, Weinberger DR, Wright MJ, Zhou J, Stein JL, Thompson PM, Medland SE; Enhancing NeuroImaging Genetics through Meta-Analysis Consortium (ENIGMA)—Genetics working group.

Science. 2020; 367:eaay6690.