Seit ungefähr vier Jahren ist das menschliche Genom entschlüsselt – jetzt konzentrieren sich die Wissenschaftler auf die Funktion der einzelnen Gene und damit auf ihre Produkte, die Proteine. Ein bedeutender Schritt zum Verständnis der Proteine ist jetzt Wissenschaftlern aus dem Max-Planck-Institut für Biochemie gelungen.
In Zusammenarbeit mit Forschern aus Dänemark, Kanada, China und USA zeigen die Max-Planck Forscher in einer aktuellen Veröffentlichung der Zeitschrift Cell, wie man mit modernsten Methoden den gesamten Bestand an aktiven Proteinen in den Zellorganellen zu einem bestimmten Moment erfassen kann. Sie liefern dadurch wesentliche neue Erkenntnisse zum Einsatz von Proteinen in der Zelle.
Zellen sind wie kleine Städte, ausgestattet mit allen notwendigen Einrichtungen der Infrastruktur, die ihnen Funktion, Wachstum und Kommunikation ermöglichen. Seit über 100 Jahren untersuchen Forscher Strukturen und Organellen in der Zelle mit mikroskopischen Methoden und ziehen Rückschlüsse auf ihre Funktion. Ergänzt durch biochemische Methoden sind mittlerweile sehr viele Details aus dem Innenleben dieser grundlegenden Organisationseinheit, aus der alle Lebewesen bestehen, bekannt: Angefangen bei den Mitochondrien als den Kraftwerken der Zelle, die für die Energiegewinnung notwendig sind, über das Endoplasmatische Retikulum, das für die Proteinsynthese unerlässlich ist und die Werkzeuge des Stoffwechsels herstellt, bis hin zum Golgi Apparat, der für die Lipidsynthese zuständig ist und damit wichtige Energiereserven für das Wachstum der Zelle produziert.
Leberzellen der Maus als Testobjekt
Die Wissenschaftler aus der Abteilung von Matthias Mann sind darauf spezialisiert, die einzelnen Proteine in Proteingemischen zu identifizieren. Proteine haben in der Zelle verschiedene Funktionen: Sie übernehmen Transportfunktionen oder leisten wichtige mechanische Stützfunktion. Als Enzyme katalysieren sie die verschiedensten Stoffwechselwege, und sie sind wichtige Bestandteile von Signalketten, über die zum Beispiel Informationen von außerhalb der Zelle an den Zellkern weitergeleitet werden. Damit steuern sie auch das Abschreiben der genetischen Information und die darauffolgende Synthese neuer Proteine.
In der aktuellen Studie untersuchten die Proteom-Forscher Leberzellen der Maus. Mithilfe von Massenspektrometrie und Datenbank-Abgleichen konnten die Wissenschaftler mehr als 1.400 Proteine aufspüren, die in zehn unterschiedlichen Zellkompartimenten lokalisiert sind. Einige Proteine lassen sich auf der Basis vorangegangener Untersuchungen eindeutig bestimmten Zellorganellen zuordnen. Diese Proteine wurden bei der Auftrennung des Proteingemisches als Marker eingesetzt. Proteine, die gemeinsam mit diesen Marker-Proteinen auftraten, ließen sich nun eindeutig zuordnen. Diese Methode der Proteinkorrelationsanalyse (engl. Protein Correlation Profiling) wurde von Mann und seinen Kollegen entwickelt und bereits erfolgreich bei der Bestimmung der Proteinzusammensetzung von einzelnen Zellorganellen eingesetzt.
Lokalisierung als wichtiger Meilenstein
Nachdem die Proteine der einzelnen "Kompartimente" identifiziert waren, verglichen die Wissenschaftler die jeweiligen Protein-Sets der einzelnen Zellorganellen: Von den 1.400 verschiedenen Proteinen, die sie den einzelnen Zellorganellen eindeutig zuordnen konnten, kommen rund 40 Prozent auch in anderen Zellorganellen vor. Vergleiche mit Studien an Hefezellen zeigten, dass die Proteine "ihrer" Zellorganelle im Laufe der Evolution treu geblieben waren, und ihre Lokalisation über Millionen von Jahren der Entwicklung von einfachen Organismen bis hin zu Säugetieren offensichtlich stabil beibehalten haben.
Für die Zellbiologie bedeuten diese neuen Forschungsresultate einen Meilenstein. "Erstmalig konnten wir jetzt für eine sehr große Anzahl von Proteinen genaue Angaben machen, wo genau sie sich in der Zelle befinden. Daraus ergeben sich völlig neue Erkenntnisse über ihre Funktion und Wechselwirkung mit anderen zellulären Proteinen und Zellorganellen", erklärt Matthias Mann. Die Forscher hoffen mit der Proteinkorrelationsanalyse Aussagen treffen zu können, welche Proteine an der Fehlregulation von Zellen beteiligt sein können, und damit zur Erforschung von Krankheiten beizutragen, die auf gestörter Kommunikation in der Zelle beruhen.
(MPG, 19.05.2006 – NPO)
