Lexikon der Biologie: Proteomik
Proteomik w [von Proteom], Proteomanalyse, proteomics, umfaßt verschiedene Verfahren zur systematischen Analyse des vollständigen Proteoms z.B. einer Zelle oder eines Gewebes zu einem bestimmten Zeitpunkt. Im Gegensatz zur Genomik erlaubt die Proteomik die Erfassung der tatsächlich vorhandenen Menge aller exprimierten Proteine sowie von posttranslationalen Proteinmodifikationen. Da sowohl die Proteinsynthese (Translation) als auch der Proteinabbau empfindlich gegenüber äußeren Parametern sind, müssen diese für eine reproduzierbare Proteomanalyse genau definiert sein. Durch gezielte Variation bestimmter Parameter lassen sich die funktionellen Zusammenhänge zwischen verschiedenen Proteinen erkennen. Grundlage der „klassischen“ Proteomik ist die zweidimensionale Gelelektrophorese, mit der bis zu 10.000 Proteine – auch Membranproteine – parallel nach Größe und elektrischer Ladung aufgetrennt und gefärbt werden können. Anschließend können die Proteinmuster densitometrisch (Densitometrie) quantifiziert werden, wobei wegen der begrenzten Reproduzierbarkeit bei der Auftrennung und der Anfärbung der Proteine Mehrfachbestimmungen notwendig sind, die mittels Bildverarbeitung abgeglichen werden müssen. Zur Identifizierung und Charakterisierung von einzelnen interessierenden Proteinen werden diese entweder auf eine Trägermembran transferiert (blotting-Techniken) oder in der Gelmatrix enzymatisch gespalten und dann aus dem Gel eluiert. Im ersten Fall erhält man intakte Proteine, die man einer Analyse der Aminosäuresequenz (Sequenzierung) oder der Aminosäurezusammensetzung (Aminosäureanalysator) unterwirft, im zweiten Fall erhält man interne Peptide, die entweder direkt oder nach Auftrennung mittels Flüssigkeitschromatographie oder Kapillarelektrophorese massenspektrometrisch (Massenspektrometrie) analysiert werden können. Der Nachteil dieser Methode liegt in der Auftrennung der Proteine, der Gelelektrophorese. Wichtige regulatorische Proteine, die nur in geringen Mengen in der Zelle vorliegen, werden durch die Färbung nicht erfaßt. Um die Untersuchung dieser Proteine zu ermöglichen, wurde eine Technik entwickelt, welche die Gelelektrophorese umgeht, die Isotope coded Affinity Tags (ICAT). Die Proteine der Zelltypen I (Referenz) und II (z.B. Tumorzellen) werden extrahiert und reduziert, so daß freie Thiolgruppen (Mercaptane) an der Aminosäure Cystein entstehen. Zur Probe I wird das ICAT-Reagenz I gegeben, das eine Thiol-reaktive Gruppe besitzt, die über einen spacer mit einem Biotin-Molekül (Biotin) verbunden ist. Zur Probe II wird das ICAT-Reagenz II gegeben, das sich von ICAT I dadurch unterscheidet, daß der spacer mit schweren Wasserstoff-Isotopen (Deuterium) markiert ist. Die ICAT-Reagenzien binden kovalent an die freien Thiole und markieren so die Proteine. Die Proteinproben werden zusammengegeben und durch Trypsin in Peptide aufgespalten. Das Biotin ermöglicht eine chromatographische Aufreinigung der Peptide, die dann im Massenspektrometer vermessen werden. Dabei werden sie ionisiert, von einer Elektrode beschleunigt und fliegen durch ein Vakuum. Da die Fluggeschwindigkeit der Peptide von ihrem Masse/Ladungs-Verhältnis abhängt, können die Peptide, die mit den schweren Wasserstoff-Isotopen markiert sind, von den leichten unterschieden werden. Der relative Unterschied der Proteinmengen kann sehr genau bestimmt werden und erlaubt Aussagen darüber, wie stark z.B. Proteine der Tumorzelle exprimiert werden. Ist das Genom des untersuchten Organismus sequenziert (Genomprojekt), kann unter Verwendung von DNA- und Proteindatenbanken das Protein identifiziert werden – hierzu finden inzwischen auch EST-Datenbanken (expressed sequence tag) immer häufiger Anwendung. Ist das Genom noch nicht sequenziert oder sind posttranslationale Modifikationen festzustellen und zu lokalisieren, muß auf die bekannten Methoden der Protein-Biochemie zurückgegriffen werden. Der Bioinformatik kommt in der Proteomanalyse eine wesentliche Bedeutung zu – zum einen zur Erfassung der riesigen Datenmenge und zur Sequenzanalyse über Datenbanken, zum anderen zur Aufbereitung, Darstellung und Vernetzung der komplexen Daten und Datenbankabfragen. Neben Anwendungen in der Grundlagenforschung verspricht man sich von der Proteomik u.a. Fortschritte für die Diagnostik von Erbkrankheiten und Infektionskrankheiten in der Medizin (z.B. Auffinden von Krankheitsmarkern; molekulare Medizin), Einblicke in die Wirkungen von Arzneimitteln in der Pharmakologie und Giftstoffen (Gifte, Toxine) in der Toxikologie sowie die Optimierung von Produktionsstämmen in der Biotechnologie. Gentechnologie.
M.B./K.M.
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