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Das Proteom

Eine Momentaufnahme

Neben der Analyse des Genoms, der DNASequenzierung und -Typisierung sind weitere analytische Schritte notwendig, um die molekularen Grundlagen natürlicher und krankhafter Lebensvorgänge zu verstehen. Weiterführende Informationen liefert die Proteomics.

In menschlichen Zellen liegen Tausende verschiedener Proteine nebeneinander vor. Sie sind dafür zuständig, die genetische Information umzusetzen. Fast alle Prozesse, die in den Zellen lebender Organismen ablaufen, beruhen auf der Wirkung von Proteinen. Welche Proteine gebildet werden, regulieren die Gene, da sie den Bauplan für die Proteine verschlüsseln. Im Gegensatz zum statischen Bauplan einer Zelle, dem Genom, ist das Proteom, also das Gemisch von Proteinen innerhalb einer Zelle in einem bestimmten Zustand, hoch dynamisch. Ein Beispiel: Die genetische Information, der Bauplan für die Proteine eines Menschen, ist mehr oder wenig gleich – vom Baby bis zum Greis. Trotzdem sehen Baby und Greis nicht gleich aus. Denn je nach Alter oder Umgebungseinflüssen ändert sich die Zusammensetzung des Proteoms.

Proteinausstattung der Zelle passt sich den Umständen an

„Proteine werden synthetisiert und wieder abgebaut und nicht alle im Genom kodierten Proteine sind auch immer exprimiert“, erklärt Professor Andreas Tholey, der die Arbeitsgruppe Proteomforschung im Institut für Experimentelle Medizin an der Universität Kiel leitet. Die Zusammensetzung des Proteoms und die Wechselwirkung der Proteine miteinander in einer Zelle sind fein austariert. Dadurch kann die Zelle sehr effizient auf unterschiedliche biologische Anforderungen und Umweltfaktoren reagieren. Die Feinregulation kann aber gestört sein – als Folge oder gar als Ursache von Krankheiten. Tholey: „Eine Zelle kann gesund oder krank sein, und in den beiden Zuständen können sich die Proteine, die in der Zelle vorhanden sind, die Art der Proteine oder der Aufbau der Proteine verändern. Und genau das untersuchen wir. Wir suchen nach Besonderheiten in einer Mischung von Proteinen der Zelle.“ Diese Besonderheiten zu kennen, könne entscheidend dazu beitragen, die molekularen Ursachen viele Krankheiten aufzuklären und darauf aufbauend neue, ursächlich wirkende Medikamente zu entwickeln.

Neue Methoden für die Proteomanalyse

Die Arbeit von Tholeys Arbeitsgruppe gliedert sich in zwei Teile. „Zum einen versuchen wir Methoden und Technologien weiterzuentwickeln, die für diese Analyse notwendig sind. Zum anderen wenden wir die Methoden auf biologische, biotechnologische und biomedizinische Fragen an. Hierfür kooperieren wir mit anderen Arbeitsgruppen des Exzellenzclusters.“

„Molekülwaagen“ identifzieren die Proteine

Als Hauptarbeitstechniken entwickelt Tholey Methoden der mehrdimensionalen Chromatographie, die es erlauben die sehr komplexen Proteinmischungen in Proteomen zu trennen. In den dabei gewonnenen Protein- oder Peptidfraktionen sind immer noch sehr viele Proteine enthalten. Diese werden mit zwei verschiedenen Methoden der Massenspektrometrie aufgetrennt: die Elektrospray (ESI)-Massenspektrometrie und die matrixunterstützte Laser Desorptions-Ionisations (MALDI)-Massenspektrometrie. Sie sortieren die einzelnen Fraktionen anhand ihrer Molekulargewichte, stellen also gewissermaßen „Molekülwaagen“ dar. Mit dieser Information können mit Hilfe bioinformatischer Methoden letztendlich die einzelnen Peptide oder Proteine identifiziert werden. Die Suche nach einem ganz bestimmten Protein innerhalb des Gemischs von bis zu Hunderttausend Proteinen im Proteom der Zellen vergleicht Tholey mit der sprichwörtlichen Suche nach der Stecknadel im Heuhafen. „Es handelt sich dabei um eine sehr anspruchvolle aber auch sehr wichtige Analysentechnik.“ Eine Methodik, die übrigens auch in vielen anderen Bereichen gefragt ist, etwa in der Lebensmittel- und Umweltanalytik, der Dopinganalytik oder wenn es darum geht die Zusammensetzung von Gesteinsproben anderer Planeten zu analysieren.

Andreas Tholey


Andreas Tholey
ist seit Dezember 2008 Cluster-Professor für Systematische Proteomforschung und Bioanalytik an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel. Der Chemiker war zuvor Hochschulassistent an der Universität des Saarlandes in Saarbrücken und beschäftigt sich bereits seit über 15 Jahren mit der funktionellen Proteinanalytik.

Mit Markern Mengen erfassen

Um herauszufinden, in welchen Mengen die einzelnen Proteine in einer Probe vorliegen, zum Beispiel beim Vergleich von gesundem und krankem Gewebe, setzt der Experte für funktionelle Proteinanalytik spezielle labeling-Techniken ein. Als Marker dienen stabile, nichtradioaktive Isotope. Diese können entweder mittels chemischer Methoden oder auch – nach Zuführung mit den Nährstoffen – durch die Proteinsynthesemaschinen der Zelle selbst in die Proteine eingebaut werden. Die Isotope können dann mit Hilfe der Massenspektrometrie quantifiziert werden. Durch Kombination dieser Verfahren lässt sich die qualitative und quantitative Zusammensetzung des Proteoms erfassen.

Forscher1  Forscher2

Komplexe Peptid- und Proteingemische werden zunächst mittels mehrdimensionaler Flüssigchromatographie in kleinere Peptid- und Proteinfraktionen getrennt.

Zur weiteren Analyse kommt die Massenspektrometrie zum Einsatz. Damit lassen sich die enthaltenen Proteine identifzieren und „zählen“.

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