2023 April - Roman Romanov

Ap. Prof. Dr. Roman Romanov, PhD

MedUni Wien RESEARCHER OF THE MONTH, April 2023

Die Jury „Researcher of the Month” verleiht die Auszeichnung für diesen Monat Herrn Ap. Prof. Dr. Roman Romanov aus Anlass der im Top-Journal „Nature communications“ (IF 17.69) erschienenen Arbeit „A hypothalamic dopamine locus for psychostimulant-induced hyperlocomotion in mice“ [1]. Die Arbeit wurde in der Abteilung für Molekulare Neurowissenschaften (Leiter Univ.-Prof. Dr. Tibor Harkany), Zentrum für Hirnforschung, in Zusammenarbeit mit Forschern aus Innsbruck, Budapest, Stockholm, Kiel und Wien durchgeführt. Ap Prof. Romanov und Univ.-Prof. Harkany betreuten gemeinsam die Forschung, während die Erstautorin Solomiia Korchynska ihre Doktorarbeit auf der Grundlage der durchgeführten Arbeit verteidigte.

Hypothalamus und hypothalamisches Dopamin vermitteln die Wirkung von Psychostimulanzien

Der Hypothalamus ist eine evolutionär konservierte Hirnregion mit vielen verschiedenen neuronalen Zelltypen, die für die Steuerung peripherer endokriner Signale bei allen Wirbeltieren bekannt sind. Aber nicht nur. Die tiefgreifende zelluläre Heterogenität der neuronalen Netzwerke des Hypothalamus wird als Ursache für ihre Fähigkeit angesehen, nicht nur grundlegende physiologische Bedürfnisse wie Schlaf und Wachsein, Fortpflanzung, Nahrungs- und Flüssigkeitsaufnahme zu steuern [2] sondern auch komplexe Verhaltensweisen wie Stress, Aggression, Sexualität und Elternschaft. Zu diesem Zweck lassen sich die neuronalen Subtypen des Hypothalamus dadurch charakterisieren, dass sie unterschiedliche "Sprachen" für die Kommunikation von Zelle zu Zelle verwenden, d. h. Kombinationen von schnellen Neurotransmittern, Neuropeptiden und Hormonen (einschließlich Dopamin)[3].

Dopamin im Hypothalamus ist vor allem dafür bekannt, dass es die Freisetzung von Prolaktin aus der Hypophyse hemmt, welches im täglichen Rhythmus in das hypophysäre Portalsystem freigesetzt wird [4]. Hier zeigte das Autorenteam unter der Leitung von Dr. Harkany und Dr. Romanov, dass dieses bisher vorherrschende Konzept nicht vollständig ist. Die Forscher konzentrierten sich auf die spezifische Zellfraktion der Dopaminzellen des Hypothalamus und identifizierten die Eingänge zu diesen Zellen, sowie den nachgeschalteten Schaltkreis. Zunächst bestätigten sie, dass diese Neuronen eine dichte Innervation vom „Uhrenzentrum“ des Gehirns - dem suprachiasmatischen Nukleus (SCN) [2] - erhalten, was auf eine vermutete Position im zirkadianen Schrittmacherkreislauf hindeutet [5].

Anschließend wurden chemogenetische, optogenetische und verhaltensbiologische Methoden angewandt, um die nachgeschalteten funktionellen Schaltkreise, in die diese Zellen eingebettet sind, weiter zu charakterisieren. Als Ergebnis wurde das laterale Septum (LS), ein Bereich des Gehirns, der autonome Prozesse reguliert und an der Kontrolle der Fortbewegung beteiligt ist, nun als ein weiterer Hirnbereich identifiziert, der an den durch Amphetamine und hypothalamische Dopamin-Neuronen ausgelösten Regulationsprozessen beteiligt ist.

Da viele Psychostimulanzien auf das Dopaminsystem wirken, überprüften Romanov und Kolleg:innen, ob eines von ihnen, Amphetamin, die Funktionalität der hypothalamischen Dopamin-Neuronen beeinflussen und dadurch das Verhalten verändern kann. Als Ergebnis identifizierten sie einen hypothalamischen Ort für die tageszeitliche Kontrolle der Fortbewegung und stellten einen, vom Mittelhirn unabhängigen, zellulären Angriffspunkt von Psychostimulanzien fest.

Die hier gegebene Erklärung, wie Amphetamin die neuronale Kontrolle des zentralen Schrittmachers über die Fortbewegung außer Kraft setzen kann, ist von erheblicher menschlicher Relevanz, da Schichtarbeiter, Kampfpiloten und andere Personen, Amphetamin häufig verwenden, um ihre Konzentration zu steigern und ihre eigene Aktivität während der Nacht, die Ruhephase des Menschen, zu steigern. Die Autoren schlugen außerdem vor, dass die erhöhte Abend- und Nachtaktivität, eine primäre Nebenwirkung der Methylphenidat-Behandlung bei Aufmerksamkeitsdefizit-Hyperaktivitätsstörung (ADHS), auch mit der Wirksamkeit des Medikaments zur Hemmung der Wiederaufnahme von Dopamin und Noradrenalin entlang des SCN → Hypothalamus → LS-Schaltkreises zusammenhängen könnte.

Wissenschaftliches Umfeld

Dr. Romanovs primäres wissenschaftliches Interesse ist zu erforschen, wie die beispiellose Heterogenität des Gehirns während der Entwicklung erreicht, und in funktionale Schaltkreise umgewandelt wird [1,3,6,]. Seine Arbeit umfasst dabei neuartige experimentelle und computationelle Ansätze: In den letzten Jahren entwickelte er wissenschaftliche und technische Expertise in funktionellen Assays in Tiermodellen, Elektrophysiologie, molekularer Signalübertragung, Entwicklungsprozessen und rechnergestützter Analyse von Einzelzelldaten. Dr. Romanovs Interesse hat auch einen starken Fokus auf die Anwendungen und rechnergestützten Analysen von Einzelzelldaten und nutzte die neue innovative Technologie der Einzelzell-RNA-Sequenzierung, um Zelltypprofile zu erstellen und Entwicklungsmechanismen zu untersuchen, die der zellulären Diversität zugrunde liegen könnten [3,6,7].

Zur Person

Dr. Romanov wurde am 07.01.1981 geboren. Von 1998 bis 2002 studierte er Biologie im Bachelor-Programm an der Universität Nischni Nowgorod (Russland). Er setzte sein Masterstudium in Biophysik an der Universität Pushchino fort (2022-2004). Er promovierte am Institut für Zellbiophysik der Russischen Akademie der Wissenschaften und verteidigte 2012 eine Doktorarbeit. Er setzte seine Forschungskarriere als Postdoc am Karolinska Institutet, Schweden fort (2012-2015). Nachdem er ein prestigeträchtiges EMBO-Langzeitstipendium erhalten hatte, zog er nach Österreich und trat dem Labor von Univ-Prof. Dr. Tibor Harkany bei (2015). Im Jahr 2018 erhielt er ein renommiertes Advanced Long-Term EMBO Fellowship, das ihm einen Aufenthalt in der Abteilung für Molekulare Neurowissenschaften ermöglichte, wo er später für das interne Karrierevereinbarungsprogramm (IKV, 2019-2022) befördert und kürzlich nach dessen erfolgreichen Abschlusses zum Ap. Professor ernannt wurde.

Ausgewählte Literatur

1. Korchynska S, Rebernik P, Pende M, Boi L, Alpar A, Tasan R, Becker K, Balueva K, Saghafi S, Wulff P, Horvath TL, Fisone G, Dodt HU, Hokfelt T, Harkany T*, Romanov RA* A hypothalamic dopamine locus for psychostimulant-induced hyperlocomotion in mice. Nat Commun 13: 5944 (2022). *Corresponding authors.

2. Saper, C. B. & Lowell, B. B. The hypothalamus. Curr. Biol. 24, R1111–R1116 (2014).

3. Romanov, R. A. et al. Molecular interrogation of hypothalamic organization reveals distinct dopamine neuronal subtypes. Nat. Neurosci. 20, 176–188 (2017).

4. Ben-Jonathan, N. & Hnasko, R. Dopamine as a prolactin (PRL) inhibitor. Endocr. Rev. 22, 724–763 (2001).

5. Lee, I. T. et al. Neuromedin s-producing neurons act as essential pacemakers in the suprachiasmatic nucleus to couple clock neurons and dictate circadian rhythms. Neuron 85, 1086–1102 (2015).

6. Romanov RA, Tretiakov EO, et al "Molecular design of hypothalamus development". Nature, 582(7811):246-252 (2020).

7. Romanov RA, Alpar A, et al A secretagogin locus of the mammalian hypothalamus controls stress hormone release. Embo Journal 34: 36-54, (2015).