Das Proteom einer Zelle ist höchst komplex. Schon eine relativ einfache Zelle, etwa eine Hefezelle, verfügt über 6000 verschiedene Proteine. Diese Moleküle werden häufiger oder seltener, je nach Zustand oder den Umweltbedingungen, denen die Zelle ausgesetzt wird. Laufend bildet die Zelle neue Proteine, nicht mehr gebrauchte werden abgebaut.

Die Systembiologen wollen diese Vorgänge besser verstehen und haben sich das ehrgeizige Ziel gesetzt, die Gesamtheit aller zu einem bestimmten Zeitpunkt und Zustand vorliegenden Proteine einer Zelle – das Proteom - zu erfassen und zu bestimmen. Sie wollen wissen, wie viele Kopien von Protein A und Enzym B vorliegen, wie diese zusammenspielen und wie sie andere Proteine beeinflussen. Daraus entsteht das Bild eines gewaltigen Netzwerkes, das innerhalb einer Zelle aktiv ist.

Ein solches Gesamtbild aller Proteine und ihrer Wechselwirkungen mit anderen Molekülen in der Zelle zu erhalten ist allerdings äusserst schwierig. So war es bisher unmöglich, beispielsweise alle am zellulären Stoffwechsel beteiligten Proteine einer Zelle über die Zeit hinweg zu verfolgen.

Schneller, detaillierter, vollständiger

Forscherinnen und Forscher um Ruedi Aebersold haben nun eine neue Methode entwickelt, die nicht nur viel schneller ist als bisherige, sondern auch eine weitaus grössere Bandbreite an quantitativen und qualitativen Daten liefert. Die Biologen können damit jedes Protein einer Zelle erfassen und seine Häufigkeit beziffern. Die neue Methode erfasst Proteine, von denen zwischen 50 und über einer Million Exemplare pro Zelle vorkommen. Mit der Erfassung von Proteinen im zweistelligen Bereich können sie im Prinzip Einzelexemplare auffinden und zählen, was bis anhin nicht möglich war.

Die Methode, dank der dieses Kunststück gelingt, wird Selected Reaction Monitoring (SRM) genannt. Wie bisher zerkleinern Enzyme die Proteine aus Zellen in Bruchstücke, die Peptide. Diese werden schliesslich mit einem Massenspektrometer gemessen. Das neue Gerät verfügt jedoch über einen zusätzlichen Filter, der hochpräzise eingestellt werden kann, so dass nur Peptide von gewünschtem Gewicht durch die «Maschen» hindurch passen.

Mit Hilfe grosser Proteom-Datenbanken können die Biologen schliesslich die gemessenen Peptide bestimmen und daraus auf die zugehörigen Proteine schliessen. Denn die Peptide, die bei der Zerstückelung eines Proteins durch ein Enzym entstehen, sind für das entsprechende Protein charakteristisch. Insofern profitieren Aebersolds Forscher nun von der Fleissarbeit der Proteom-Pioniere, die mit ihren Datensammlungen eine der Grundlagen für SRM lieferten.

Stoffwechselvorgang beobachten

Die Analysen sind überdies sehr viel schneller als bisher, was es den Forschern ermöglicht, über die Zeit mehrere Proben während eines Stoffwechselvorgangs zu untersuchen. «Für die Modellierung von Systemen am Computer sind absolute Anzahlen hoch interessant», sagt Ruedi Aebersold. Nun könne man beginnen zu modellieren, wie sich ein System verhalte. Er spricht deshalb von der SRM-Methode als «grossem Durchbruch».

Mit SRM lassen sich beispielsweise alle Proteine, die an einem bestimmten Signal- oder Stoffwechselweg beteiligt sind, qualitativ und quantitativ bestimmen. So hat Postdoktorandin Paola Picotti, die SRM in einem Paper beschreibt, das heute in «Cell» veröffentlicht wurde, den Zucker-Stoffwechsel von Hefezellen unter Stressbedingungen analysiert und während mehreren Zeitpunkten geschaut, welche Proteine bei diesem Stoffwechselweg vorkommen und ihn steuern respektive regulieren. Sie konnte zeigen, wie Stress, in diesem Fall Nahrungsentzug, die Hefe dazu veranlasst, neue Proteine zu bilden, um Ethanol abbauen zu können.

Literaturhinweis

Picotti P, Bodenmiller B, Mueller LN, Domon B & Aebersold R. Full dynamic range proteome analysis of S. cerevisiae by targeted proteomics. Cell, Volume 138, Issue 4, 795-806, 06 August 2009, doi:10.1016/j.cell.2009.05.051