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Proteomik: Fischzug in der Zelle

Mit molekularen Ködern und Angelhaken konnten zwei Teams tausende Proteinverbände in der Hefe aufspüren und so ein erstes Schlaglicht auf das komplexe Netz der Proteinwechselwirkungen werfen, die für das Funktionieren einer Zelle sorgen.


Eine Freundin meiner Mutter hat einen Neffen, der im vorigen Jahr als Staatsminister in die deutsche Bundesregierung berufen wurde. Wenn ich also auf persönlichem Wege eine wichtige Botschaft an den deutschen Bundeskanzler übermitteln wollte, könnte ich das über vier Ecken tun.

Einer Untersuchung des amerikanischen Psychologen Stanley Milgram aus dem Jahre 1967 zufolge lässt sich jeder Erwachsene, der nicht gerade als Einsiedler auf einer Insel lebt, mit jedem anderen über höchstens sechs jeweils miteinander bekannte Zwischenträger verbinden. Wir sitzen offenbar in einem hochgradig komplexen sozialen Netzwerk mit erstaunlich kurzen Wegen zwischen den einzelnen Punkten – eine Tatsache, die oft als "Kleine-Welt-Paradoxie" bezeichnet wird.

Solche Netzwerke zu untersuchen, ist bei Menschen relativ einfach. Eine Person kann man notfalls nach ihren Bekannten fragen oder auch vollelektronisch ihre Email- oder Telefonpartner ermitteln. Deutlich schwieriger wird die Analyse in der Welt der Zelle, wo gleichfalls tausende Akteure – in diesem Fall Proteine – miteinander kommunizieren, kooperieren oder sonstwie interagieren. Herauszufinden, wer hier mit wem Kontakt hat und warum, ist genau die Herausforderung, vor der die Biologie nach der Entschlüsselung zahlreicher Genome einschließlich des menschlichen steht. Für Bemühungen in dieser Richtung hat sich inzwischen der Begriff Proteomik eingebürgert.

Erste Ansätze auf diesem Gebiet zielten darauf ab, Eins-zu-eins-Beziehungen zwischen Paaren von Proteinen aufzudecken. Das entspricht dem Versuch, durch Analyse des Telefonverkehrs zu ermitteln, welche Menschen miteinander sprechen. Daraus erfährt man aber noch nicht, welchen Vereinen und Verbänden sie angehören oder welche Rolle sie im Beruf und Familienverbund spielen. Soziale Netzwerke sind komplizierter als eine Ansammlung von Linien zwischen jeweils zwei Punkten. Dasselbe gilt für die Protein-Netzwerke der Zelle.

Zwei Arbeitsgruppen, die eine am Europäischen Molekularbiologischen Laboratorium (EMBL) in Heidelberg, die andere bei der Firma MDS Proteomics in Toronto, haben nun unabhängig voneinander die ersten umfassenden Analysen solcher intrazellulären Beziehungsgeflechte vorgestellt (Nature Bd. 415, S. 141 und 180, 2002). Als Versuchsobjekt diente die Bierhefe (Saccharomyces cerevisiae). Dieser einzellige Pilz gilt als Modellorganismus für die elementare Zellbiologie der Pflanzen und Tiere, da er ebenso wie die komplizierteren Lebewesen zum Ur-Reich der mit echtem Zellkern ausgestatteten Eukaryonten gehört. Viele Vorgänge, die für das Überleben einer einzelnen Zelle unabdingbar sind, werden selbst noch beim Menschen von ähnlichen Genen gesteuert wie bei der Hefe.

Beide Arbeitsgruppen gingen davon aus, dass Proteine, die miteinander wechselwirken, sich zu diesem Zweck zusammenlagern müssen (schließlich verfügen sie weder über Email noch Telefon). Beide Teams benutzten zudem ähnliche Verfahren, um solche Proteinverbände aus der Zelle zu fischen und zu analysieren.

Zunächst erzeugten sie viele verschiedene genmanipulierte Hefestämme. In jedem hatten sie jeweils ein bestimmtes Gen so abgeändert, dass das zugehörige Protein mit einem Affinitätsmarker – sprich: Etikett – versehen war: einer Art Schwanz, der bewirkt, dass dieser Eiweißstoff samt allem, was sich mit ihm zusammengelagert hat, mit hoher Selektivität an einem speziellen "Angelhaken" haften bleibt. Dadurch lässt sich der Proteinverbund, der diesen markierten "Köder" enthält, mit relativ geringem Aufwand und in hoher Reinheit vom Rest des Zellinhaltes abtrennen. Die so geangelten Aggregate wurden dann mit dem klassischen Trennverfahren der Gel-Elektrophorese in ihre Proteinkomponenten zerlegt und diese schließlich mittels Verdauungsenzymen in Fragmente aufgespalten, die sich massenspektrometrisch identifizieren ließen.

Angeln mit tausenden Ködern

Der ganze Vorgang ist schon aufwendig genug, wenn man nur ein Köderprotein verwendet und die Proteine identifizieren will, die sich daran heften. Um die Wechselwirkungen im Hefeproteom auch nur halbwegs vollständig zu erfassen, muss man allerdings tausende Köder einsetzen und zigtausende Proben der Massenspektrometrie unterwerfen.

Die EMBL-Wissenschaftler, welche die größer angelegte der beiden Studien durchführten, gingen von mehr als 1700 Genen aus. Dabei wählten sie vor allem solche, die es in ähnlicher Form auch beim Menschen gibt. Bei 1167 von ihnen konnten sie Hefezellen erzeugen, die das Köderprotein in nachweisbaren Mengen produzierten. Auf diese Weise gelang es ihnen schließlich, rund 16000 Wechselwirkungen zu erkennen, an denen rund ein Viertel aller Hefeproteine beteiligt waren. Ermöglicht wurde dies nur durch massiven Personaleinsatz: Nicht weniger als 38 Autoren zieren den Kopf der EMBL-Veröffentlichung. Mit nur rund 700 Ködern nimmt sich das kanadische Projekt, obwohl im Grunde auch staunenswert, dagegen beinahe schon bescheiden aus.

Abgesehen von der schieren Masse der zu bewältigenden Analysen stehen die Proteomik-Pioniere auch vor einem grundsätzlichen Problem. Es rührt von der Flüchtigkeit der Wechselwirkungen her, die Eiweißstoffe für eine gewisse Zeit aneinander binden. Die Angelmethoden der Forscher waren darauf abgestimmt, möglichst viele Proteinverbände zu erwischen – auch solche mit nur schwachem Zusammenhalt. Dabei gingen zwangsläufig Aggregate mit ins Netz, deren Komponenten sich nicht spezifisch und funktionsbedingt, sondern rein zufällig zusammengelagert hatten. Manche Proteine sind eben einfach von Natur aus "klebrig" und bleiben daher an allen möglichen anderen Molekülen hängen.

Die Heidelberger Arbeitsgruppe entwickelte deshalb Kriterien zum Ausschluss solch promiskuitiver Kandidaten. Zum Beispiel wurden alle Proteine ausgeschieden, die sich an mehr als 20 verschiedene Köder hefteten. Dennoch rechnen die Forscher mit bis zu 30 Prozent falsch-positiven Ergebnissen. Andererseits sind einige wohlbekannte Wechselwirkungen der Köderproteine nicht in Erscheinung getreten. Dies könnte zum Beispiel daran liegen, dass das Etikett der Zusammenlagerung im Weg stand.

Landkarten der Proteinnetze

Den Wert der jetzt präsentierten ersten Landkarten der Proteinnetzwerke von Saccharomyces cerevisiae schmälert das freilich kaum. Zusammen bilden die beiden Untersuchungen einen imposanten Meilenstein auf dem Weg zur vollständigen Charakterisierung des Hefeproteoms. Dennoch sind sie erst der Anfang. Weitere, ebenso arbeitsintensive Studien werden erforderlich sein, um die Trefferquote zu verbessern, die Erfassung in die Nähe der 100 Prozent zu bringen und schließlich zu höheren Lebewesen bis hin zum Menschen vorzustoßen.

Zudem muss für wirklich zuverlässige Aussagen jeder in solchen Massentests gefundene Proteinkomplex anschließend gesondert in größeren Mengen isoliert werden, damit man seine Funktion genau erforschen kann. Bis die Netzwerke in der kleinen Welt der Zelle entwirrt sind, steht den Forschern also noch ein immenses Stück Sisyphus-Arbeit bevor.

Aus: Spektrum der Wissenschaft 5 / 2002, Seite 19
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
5 / 2002

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 5 / 2002

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