Proteomik

Struktur des Hämoglobins

Die Proteomik (englisch proteomics) umfasst die Erforschung des Proteoms mit biochemischen Methoden. Das Proteom umfasst die Gesamtheit aller in einer Zelle oder einem Lebewesen unter definierten Bedingungen und zu einem definierten Zeitpunkt vorliegenden Proteine. Das Proteom und auch das Transkriptom sind im Gegensatz zum eher statischen Genom dynamisch und können sich daher in ihrer qualitativen und quantitativen Proteinzusammensetzung aufgrund veränderter Bedingungen (Umweltfaktoren, Temperatur, Genexpression, Wirkstoffgabe etc.) verändern. Sehr bildlich kann man sich die Dynamik des Proteoms an folgendem Beispiel vor Augen führen. Eine Raupe und der aus ihr entstehende Schmetterling enthalten das gleiche Genom, unterscheiden sich aber trotzdem äußerlich aufgrund eines unterschiedlichen Proteoms. Dasselbe gilt auch für eine Kaulquappe und den daraus entstehenden Frosch. Die Veränderungen des Proteoms können zum Teil sehr schnell erfolgen - bspw. durch posttranslationale Modifikationen wie die Phosphorylierungen und Dephosphorylierung von Proteinen, die im Rahmen der Signaltransduktion eine sehr wichtige Rolle spielen.

Die Proteomik versucht, sämtliche Proteine im Organismus zu katalogisieren und ihre Funktionen zu entschlüsseln. Die Baupläne der Proteine finden sich in den Erbanlagen. Speichert die Erbsubstanz DNA lediglich Informationen, so erfüllen die aus Aminosäuren bestehenden Eiweißmoleküle vielfache Aufgaben. Sie sind Grundsubstanz des Lebens und wehren z. B. als Antikörper Krankheiten ab, und ermöglichen als Enzyme unter anderem den Metabolismus und sorgen mit Skelett, Sehnen und Muskeln für Bewegung.

Definition

Das Proteom im 2D-Gel

Wesentliche Teilgebiete sind die Aufklärung von Protein-Protein-Interaktionen, die vor allem von Tertiär- und Quartärstrukturen der Proteine und den Wechselwirkungen ihrer Domänen abhängen. Weiterhin gehört auch die Proteinreinigung und die quantitative Analyse der Proteinexpression in den Bereich der Proteomik. Sie ergänzt somit die Daten, die in der Genexpressionsanalyse gewonnen werden und gibt Aufschluss über die Komponenten von Stoffwechselwegen und molekularen Regelkreisen. Das Protein-Engineering erlaubt die Veränderung von Funktionen rekombinanter Proteine zur Anpassung seiner Eigenschaften.

Die Schlüsseltechniken der Proteomik unterstützen also die Aufklärung der Funktion und der 3-D-Struktur der Proteine und die Identifikation einzelner Proteine in Gemischen:

Anwendungen

Da alle metabolischen Prozesse durch Proteine erfolgen, basieren Therapieansätze wie neue Wirkstoffe gegen Krebs, Infektionen und bestimmte Nervenkrankheiten darauf. Leiden wie Sichelzellanämie, Alzheimer-Krankheit, Chorea Huntington oder die Creutzfeldt-Jakob-Krankheit beruhen auf fehlerhaft geformten und verklumpenden Proteinen. Ist also bekannt, welches Protein für eine Fehlfunktion verantwortlich ist, so ist es möglich, gezielt ein kleines Molekül zu entwickeln, welches an dieses Protein andockt und eine weitere Fehlfunktion verhindert. In der Industrie werden rekombinante Proteine in Form von Waschmittelenzymen und biologischen Pflanzenschutzmitteln verwendet. Biologen erhoffen sich bessere Einblicke in die Funktionsweise von Lebewesen und das Leben als solches. Die Biophysiker erwarten eine „molekulare Anatomie“.

Probleme und Trends

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Nach zum Teil ernüchternden Erfahrungen mit genetischen Methoden wie der Microarray-Analyse herrscht bei einigen Wissenschaftlern auch bezüglich der Proteomforschung eine gewisse Skepsis vor. Friedrich Lottspeich vom Max-Planck-Institut für Biochemie in Martinsried und Präsident der Deutschen Gesellschaft für Proteomforschung (DGPF) warnt vor überzogenen Hoffnungen: „Für den Humanbereich ist die Forschung derzeit eigentlich sowieso noch zu komplex [..] Aber für eine Analyse der Hefe, die ein gutes Modellsystem wäre, will natürlich wieder keiner Geld ausgeben.“

Die Komplexität ergibt sich aus den vielen Möglichkeiten: Laut Friedrich Lottspeich hat der Mensch schätzungsweise mehrere hunderttausend bis Millionen verschiedene Proteine. Ein einzelnes Gen produziert im Schnitt fünf bis zehn Proteine, in manchen Fällen mehrere hundert. Diese Komplexität vollständig zu erfassen ist eine Herausforderung, der die derzeitigen Methoden noch nicht gewachsen sind. Auf der anderen Seite entwickelt sich die Proteomforschung rasant weiter. Das ist insbesondere auf eine ständige Verbesserung der Massenspektrometer zurückzuführen, die immer präziser, sensitiver und schneller werden.

Ein weiterer wichtiger Schritt ist die Entwicklung quantitativer Methoden, wie die auf dem Einsatz stabiler Isotope basierenden SILAC, iTRAQ, TMT oder ICAT Verfahren oder der MeCAT-Metallkodierung, bei der unterschiedlich schwere Metalle zur Markierung von Proteinen und Peptiden aus verschiedenen Proteinproben eingesetzt werden. Letztere erlaubt erstmals im Multiplexansatz den proteomweiten Einsatz der ultrasensitiven Elementmassenspektrometrie (ICP-MS) (Nachweisgrenze im ppt bis unteren ppq Bereich), die eine über 2 bis 5 Größenordnungen höhere Sensitivität bei der Proteinquantifizierung erlaubt und einen linearen dynamischen Messbereich von mindestens 6 bis 8 Größenordnungen aufweist. MeCAT erlaubt im Gegensatz zu den anderen Verfahren, die auf Peptidebene 'nur' relativ quantifizieren, vorteilhafterweise eine relative und sogar absolute Quantifizierung auf Proteinebene, wodurch Proteinspezies wie posttranslational modifizierte Proteine einer Quantifizierung besser zugänglich werden. Die Kalibrierung der ICP-MS erfolgt mit protein-/peptidunabhängigen Metallstandards. Die Notwendigkeit proteinspezifischer Standardpeptide entfällt somit.

Kombiniert man quantitative Proteomanalyse mit anderen biologischen Methoden, so kann man auch Aussagen über die Funktion von Proteinen treffen (z. B. Protein-Protein-Interaktion oder Posttranslationale Modifikationen). Die moderne Proteomforschung geht daher inzwischen weit über das bloße Katalogisieren von Proteinen hinaus und versucht komplexe Mechanismen zu verstehen.

Forschungsschwerpunkte HUPO

Ähnlich wie die Human Genome Organisation (HUGO) teilen sich die Forscher der Internationalen Humanproteom-Organisation HUPO weltweit die anfallende Arbeit. Deutschland konzentriert sich dabei auf die Erforschung der Gehirnproteine.

Systembiologie

Ein neues Forschungsgebiet, das auf der Proteomik aufbaut, ist die Systembiologie. Diese versucht nicht mehr alleine die einzelnen Teile z. B. einer Zelle zu betrachten, sondern versucht das Zusammenwirken aller Einzelteile innerhalb eines Systems und seiner Umgebung zu beschreiben. Dazu erforderlich sind neben der Proteomik v. a. mathematische Modelle, die das System in silico simulieren.

Trivia

Der Name „proteomics“ stammt von drei Wissenschaftlern aus Sydney. Diese waren der Meinung, dass mit den wissenschaftlich korrekten Bezeichnungen nicht sehr leicht Geld zu bekommen sei und so entstand in einer Bierlaune der Begriff „proteomics“.

Siehe auch

• -omik
• Bioinformatik

Literatur

• Hubert Rehm: Proteinbiochemie / Proteomics, Der Experimentator. 5. Auflage. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 2006, ISBN 3-8274-1726-0.
• Hans Gerd Nothwang, Steven E. Pfeiffer: Proteomics of the Nervous System. Wiley-VCH, Weinheim 2008. ISBN 978-3527317165.
• Jörg von Hagen: Proteomics Sample Preparation. VCH-Wiley, Weinheim 2008. ISBN 978-3-527-31796-7
• Sabine Fischer: Funktionelle Proteomik: Krankheitsursachen frühzeitig erkennen und gezielt behandeln, Elsevier, München.
• David P. Clark, J. Pazdernik, Andreas Held, Birgit Jarosch: Molekulare Biotechnologie: Grundlagen und Anwendungen, Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg.
• Friedrich Lottspeich, Haralabos Zorbas: Bioanalytik. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 1998, ISBN 978-3827400413.

Weblinks

• Proteomics: the first decade and beyond (pdf 4 MB) - Patterson and Aebersold
• Signals online magazine - 2. November 1999
• Überblick über Techniken
• Proteomiks - Proteine verstehen lernen - scinexx Wissensmagazin - 16. Mai 2003
• Proteomik: Durchblick im Dickicht
• Human Protein Organisation