Molekulare Wechselwirkungen messen

Die Wissenschaft hat schon einige ?Omiken? gesehen, wie etwa die Genomik oder die Proteomik. Erstere befasst sich mit der systematischen Analyse aller Gene eines Organismus, letztere mit der Gesamtheit aller Proteine in einer biologischen Einheit.

Mit der Protein-Metabolit-Interaktomik f¨¹gt nun die Gruppe von Paola Picotti, Professorin f¨¹r molekulare Systembiologie, den ?Omiken? eine weitere hinzu. Soeben hat sie in der Fachzeitschrift externe Seite Cell eine Studie ver?ffentlicht, in der sie erstmals Wechselwirkungen von allen Proteinen mit kleinen Stoffwechselmolek¨¹len, den Metaboliten, systematisch auf Stufe des gesamten Proteoms analysiert, quantifiziert und in Bezug zueinander setzt.

Schnittstellen machen den Unterschied

Die Forschenden haben aufgezeigt, wie viele aller der in einer E.-coli-Bakterienzelle vorliegenden Proteine und Enzyme mit Metaboliten interagieren. Die Wissenschaftler nutzten dazu einen Ansatz, den sie Limitierte Proteolyse (LiP) nennen, gekoppelt mit massenspektrometrischen Messungen.

Dazu extrahierten die Forschenden aus der Bakterienzelle den Zellsaft mit s?mtlichen darin vorkommenden Proteinen. Einer solchen Probe f¨¹gten sie jeweils einen Metaboliten zu und liessen ihn mit den Proteinen interagieren. Schliesslich liessen sie die Proteine von ?molekularen Scheren? in kleinere Schnipsel (Peptide) zerst¨¹ckeln. Insgesamt testeten die Forschenden auf diese Weise 20 verschiedene Metaboliten und ihre Wechselwirkung mit Proteinen.

Wenn ein Protein mit einem Metabolit interagiert, sei es, indem dieser in dessen aktives Zentrum zu liegen kommt oder an anderer Stelle andockt, ver?ndert sich die Proteinstruktur. Die ?molekulare Schere? zerschneidet diese an anderen Stellen als die Ursprungsstruktur, was einen unterschiedlichen Satz an Peptiden ergibt.

Mit dem Massenspektrometer massen die Forschenden alle in der Probe vorliegenden Schnipsel und rekonstruierten am Computer anhand der erhaltenen Daten die Strukturunterschiede oder -ver?nderungen und wo diese im Protein lokalisiert sind.

Die Kenntnisse ¨¹ber das Protein-Metabolit-Interaktom, also die Interaktionen zwischen Proteinen und Metaboliten sowie die dazu geh?renden molekularen (Signal-)Netzwerke, waren bisher sehr bescheiden, verglichen mit demjenigen ¨¹ber Wechselwirkungen zwischen Proteinen untereinander oder Proteinen und DNA oder RNA. Diese Studie vergr?ssert dieses Wissen nun schlagartig.

Hunderte neuer Wechselwirkungen entdeckt

F¨¹r E. coli entdeckten Picotti und ihr Team mit diesem Ansatz rund 1650 verschiedene Protein-Metabolit-Wechselwirkungen, davon waren ¨¹ber 1400 bislang unbekannt. Zum Vorschein kamen zudem tausende Bindungsstellen auf Proteinen, an denen Metaboliten andocken k?nnen. ?Obwohl der Stoffwechsel von E. coli und viele daran beteiligte Molek¨¹le schon sehr gut bekannt sind, gelang es uns, viele neue Interaktionen und entsprechende Bindungsstellen zu entdecken?, freut sich die Forscherin. Dies belege das hohe Potenzial des gew?hlten Ansatzes. ?Daten, die wir mit dieser Technik erzeugten, helfen, neue regulatorische Mechanismen, unbekannte Enzyme und neuartige Stoffwechselreaktionen in der Zelle zu identifizieren.?

In ihrer Studie zeigen die Forschenden weiter auf, dass kleine Stoffwechselmolek¨¹le bevorzugt an diejenigen Proteine binden (und sie dadurch regulieren), deren Konzentration ¨¹ber die Zeit mehr oder weniger konstant ist. Dies l?sst vermuten, dass das Binden von Metaboliten an Proteine sowie ?nderungen von Protein-Konzentrationen zwei sich erg?nzende Wege sind, wie Zellen die Proteinaktivit?t regulieren.

Strukturver?nderung reguliert Aktivit?t

Proteine k?nnen ¨¹ber eine durch Metaboliten vermittelte Struktur?nderung relativ schnell aktiviert oder inaktiviert werden. ?Eine solche Struktur?nderung l?sst sich rascher wieder r¨¹ckg?ngig machen?, erkl?rt Picotti. Aus Sicht der Zelle ist das oft sinnvoll. Denn der Weg ¨¹ber eine Konzentrations?nderung bedeutet f¨¹r die Zelle, dass sie Proteine ab- oder neu aufbauen muss. Das kostet sie mehr Zeit, Energie und Ressourcen.

Picotti und ihre Mitarbeiterinnen haben zudem aufzeigen k?nnen, dass etliche Enzyme weniger w?hlerisch sind als bisher gedacht. Sie k?nnen offenbar mehrere verschiedene Metaboliten binden und chemisch umbauen. Bisher ging man davon aus, dass Enzyme mehrheitlich spezifisch sind f¨¹r wenige, sehr ?hnliche Molek¨¹le.

Wirkstoffe mit neuem Ansatz testen

Am neuen Ansatz ist die Pharmaindustrie stark interessiert. Mit der Methode kann man die Wechselwirkung von Wirkstoffen mit zellul?ren Proteinen testen und die Ziele eines Medikaments identifizieren. So k?nnten Forschende untersuchen, an welche Proteine und an welche Stellen dieser Wirkstoff bindet, wie er dessen Struktur ver?ndert und damit dessen Aktivit?t beeinflusst. Dies erleichtert und beschleunigt Tests und die Entwicklung neuer Wirkstoffe.

Die ETH-Professorin hat die Methode bereits patentieren lassen. Exklusiver Lizenznehmer ist das ETH-Spin-off externe Seite Biognosys, das nun damit im Auftrag von Pharmafirmen verschiedene Wirkstoffe auf diese Weise pr¨¹ft.