Funktionelle Veränderungen auf Proteom-Ebene aufspüren

Proteine sind in biologischen Zellen allgegenw?rtig. Sie sind die Bausteine des Lebens und ¨¹ben unz?hlige wichtige Funktionen aus. Zu jedem beliebigen Zeitpunkt liegen in einer menschlichen Zelle tausende verschiedene Proteine vor, und von jeder Proteinart wiederum sind oft hunderte oder tausende Kopien gleichzeitig vorhanden.

In den vergangenen Jahren ist es Forschenden gelungen, diese enorme Vielfalt mit Messger?ten vollumf?nglich zu erfassen. Heute kann buchst?blich auf einen Schlag in Zellen, Organen oder gar Organismen das gesamte Proteom, also alle Proteinspezies und deren Mengen, erhoben werden. Auch l?sst sich mit diesen klassischen Proteomik-Ans?tzen ermitteln, wie sich die Mengen jeder einzelnen Proteinspezies entwickeln, wenn sich die Umweltbedingungen ?ndern.

Viele molekulare Ereignisse verpasst

Aber etwas erfassten die klassischen Proteom-Screens bislang nicht: die vielen molekularen Ereignisse, die in Zellen gleichzeitig ablaufen, und zu Funktions?nderungen von Proteinen f¨¹hren.

Zu diesen Ereignissen z?hlen etwa chemische Ver?nderungen an den Proteinen selbst, wie etwa Phosphorylierungen, sowie Interaktionen mit weiteren Proteinen oder anderen Molek¨¹len. Dabei sind solche molekularen Ereignisse wichtig: Viele Prozesse in Zellen wie Signalkaskaden beruhen oft ausschliesslich auf verschiedenen molekularen Ereignissen und nicht auf Anpassung der Proteinmengen. Dadurch kann sich eine Zelle mit dem gleichen Satz an Proteinmolek¨¹len sehr schnell an neue Umst?nde anpassen, ohne dass sie neue herstellen muss.

Funktions?nderungen werden messbar

Forschende um Paola Picotti, Professorin f¨¹r Molekulare Systembiologie der ETH Z¨¹rich, vermuteten deshalb, dass sie Strukturver?nderungen auslesen k?nnen f¨¹r verschiedenste molekulare Ereignisse, die zu Funktions?nderungen von Proteinen f¨¹hren.

Die Systembiologinnen entwickelten einen bestehenden Ansatz f¨¹r die Erfassung von Proteomen weiter, um solche funktionellen Ver?nderungen von Proteinen gleichzeitig bis ins Detail aufsp¨¹ren zu k?nnen.

Das ist ihnen nun gelungen, wie sie in k¨¹rzlich in der Fachzeitschrift ?Cell? berichteten. Mit dem neuen Vorgehen k?nnen die Forschenden nun viele Enzymaktivit?ten, molekulare Interaktionen und chemische Ver?nderungen in situ, also direkt in Zellfl¨¹ssigkeiten messen.

Abdeckung massiv erh?ht

Als Stellvertreter f¨¹r molekulare Vorkommnisse messen die Forschenden die in einer Probe vorliegenden Proteinstrukturen. Gleichzeitig messen sie auch deren Mengen. ?Wir erfassen so die Mehrzahl der Ereignisse, welche die Proteinfunktion beeinflussen. Das erh?ht die Abdeckung drastisch?, betont Picotti.

Die Grundlage der neuen Methode hat die ETH-Professorin bereits vor ein paar Jahren gelegt. Mit einer Technik namens Limited Proteolysis Mass Spectrometry (LiP-MS) gelang es ihr und ihren Mitarbeitenden, relativ einfach die Mehrzahl der Proteine in einer biologischen Probe wie dem Zellsaft von Hefezellen oder K?rperfl¨¹ssigkeiten aus Biopsien zu messen. Damit schaffte sie es auch, unterschiedliche Strukturen von ein und demselben Protein zu erfassen.

Proteine besser als Biomarker nutzbar

Um den neuen LiP-MS-Ansatz zu testen, haben Picotti und ihre Mitarbeitenden drei gut bekannte Systeme unter die Lupe genommen. Dabei zeigte sich, dass sie mit der Methode nicht nur alle bekannten funktionellen Ver?nderungen erfassen, sondern auch bisher unbekannte Ereignisse aufdecken. ?Somit k?nnen wir nun eine viel h?here Zahl an ver?nderten biologischen Prozessen erfassen als durch die alleinige Messung von Proteinh?ufigkeiten?, sagt Picotti. Das ist ein wichtiger Schritt, um Proteine, ihre ver?nderten Strukturen und Funktionen k¨¹nftig als valable Biomarker besser nutzbar zu machen.

Ihr Konzept ¨¹berpr¨¹ft haben die Forschenden unter anderem an Hefezellen, indem sie diese einem Salzstress aussetzen. Nach kurzer Zeit setzten die Zellen einen speziellen Signalweg in Gang, um mit der erh?hten Salzkonzentration in ihrer Umgebung fertig zu werden. Wenn dieser Signalweg aktiviert wird, werden einigen Proteinen Phosphate ?angeh?ngt?, sogenannt phosphoryliert, andere interagieren mit weiteren Molek¨¹len, und einige ?ndern ihre Aktivit?t. Das f¨¹hrte dazu, dass die Enzyme ihre Struktur ?nderten ¨C und damit auch ihre Funktion.

Die ETH-Forscherinnen fanden, dass von den total 3500 in Hefen vorhandenen verschiedenen Proteinarten bei diesem Versuch ¨¹ber 300 ihre Form ?nderten. Bei nur deren 30 ver?nderte sich die H?ufigkeit. ?Das bedeutet, dass Zellen auf kurzanhaltende neue Reize oder akuten Stress hin nicht sonderlich viele Proteine produziert, sondern dass sie bestehende umformen und ihre Funktionen modifizieren.?

Ist der Stress ¨¹berstanden, lassen sich die umgeformten Molek¨¹le in den Originalzustand zur¨¹ckversetzen. Dadurch bleibt die Anzahl der Proteine in Zellen ¨¹ber die Zeit ziemlich konstant. F¨¹r die Zelle ist das ein Vorteil: Neue Molek¨¹le zu produzieren, braucht viel Zeit und Energie. Das Umformen geschieht hingegen mit geringem Energieaufwand in Sekundenschnelle.

Vielversprechendes Diagnosewerkzeug

In einem Projekt hat Picotti die Methode bereits auch bei einer menschlichen Krankheit getestet. So hat sie und ihre Mitarbeitenden mehrere hundert Proben von Parkinson-Patienten mit solchen von gesunden Menschen verglichen, um strukturelle Biomarker f¨¹r die Krankheit zu finden.

Vorl?ufiges Fazit: ?Die Menge an Proteinen allein ist in diesem Fall nicht diagnostisch nutzbar?, sagt Picotti. Die Mehrheit der Proteine war sowohl in gesunden wie in erkrankten Menschen etwa gleich h?ufig.  Suchten die Forschenden jedoch nach unterschiedlichen Strukturen desselben Proteins, sah die Sache vielversprechender aus. Eine Vielzahl von Proteinen zeigte in den Patientenproben ver?nderte Strukturen. Dadurch ist der Ansatz als diagnostisches Werkzeug vielversprechend. Ob es auch der Fr¨¹herkennung dienen k?nnte, muss aber erst noch erforscht werden.

ETH-Spin-off bietet Methode kommerziell an

Die Forschenden haben den Ansatz bereits patentieren lassen. Das auf Proteomik spezialisierte ETH-Spin-off Biognosys hat die Methode lizenziert und bietet sie erfolgreich kommerziell an, um Proben f¨¹r die Medikamentenentwicklung auf Proteinstruktur?nderungen zu analysieren. Auch in der akademischen Welt st?sst der neue Ansatz auf grosses Interesse. ?Ich erhalte w?chentlich mehrere Anfragen von ausw?rtigen Forschenden, ob mein Labor Proben f¨¹r sie untersuchen k?nne. Wir k?nnen jedoch nicht all diese W¨¹nsche erf¨¹llen, da wir nicht die Kapazit?ten daf¨¹r haben?, erkl?rt Picotti.