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Generelle Ziele der Proteomik

            
Fast alle Prozesse, die in den Zellen lebender Organismen ablaufen, beruhen auf der Wirkung von Proteinen, deren Synthese von den Genen des jeweiligen Genoms gesteuert wird. Zahlreiche Genomforschungsprojekte haben in verschiedenen Organismen eine enorme Zahl von Genen strukturell aufgeklärt (im Menschen etwa 30 000). Die so ermittelten Gensequenzen ermöglichen es, über den bekannten genetischen Code die Aminosäuresequenzen zu konstruieren. Aus ihrer Kenntnis alleine ergibt sich aber noch nicht der Zustand der Proteine, wie sie in vivo vorliegen. Dies liegt vor allem daran, dass posttranslationale Ereignisse, z.B. Prozessierung, Glykosylierung und andere Modifikationen, nicht vorhersehbar sind. Somit kann die tatsächliche Proteinausstattung der Zellen eines Organismus -ihr Proteom- aus dessen Genom prinzipiell nicht vorausgesagt werden, weil eine Reihe wichtiger Informationen durch die Genomforschung nicht beigebracht werden können.

Die wichtigsten Eigenschaften, in denen sich die Proteome der Zellen eines Organismus zu unterschiedlichen Zeitpunkten oder unter dem Einfluß unterschiedlicher Umweltbedingungen unterscheiden können, sind:

  • die Präsenz oder das Fehlen einzelner Proteine innerhalb der Gesamtheit von typischerweise 10 000 Proteinen pro Zelle;
  • die quantitativ unterschiedliche Präsenz individueller Proteine über einen weiten Konzentrationsbereich von 102 bis 106 Kopien pro Zelle;
  • posttranslationale Modifikationen von Proteinen, wie z.B. Phosphorylierungen oder Dephosphorylierungen oder Splicingschritte zur Proteinreifung;
  • topologische Verteilungsmuster von Proteinen in unterschiedlichen Zellkompartimenten;
  • Interaktionsmuster von Proteinen

Mit dem in stürmischer Entwicklung begriffenen Methodenarsenal der Proteomik wird die Untersuchung dieser Faktoren und Situationen adressiert. Heutzutage basiert die Proteomanalytik im Wesentlichen auf zwei verschiedenen Strategien: (i) Proteintrennungen mit Hilfe hochauflösender 2D-Gelelektrophoresen und anschliessende Proteinidentifizierungen mittels massenspektrometrischer Verfahren (Gel-basierte Proteomik) oder (ii) Auftrennung von Proteinen mit Hilfe chromatografischer Verfahren, die online mit massenspektrometrischen Proteinidentifizierungen gekoppelt sind („shot-gun“ Proteomik).Eine weitgehende Automatisierung ist für eine effektive Proteomanalyse notwendig, wobei auch die Verfügbarkeit immer leistungsfähigerer bioinformatorischer Werkzeuge eine entscheidende Rolle spielt.


Die Zusammensetzung von Proteomen kann wichtige Informationen über den Zustand der zugehörigen Zellen oder Gewebe liefern und daher Abhängigkeiten von endogenen, d.h., aus dem Programm der Zelle selbst stammenden Einflüssen, oder exogenen, d.h., umweltbedingten Einflüssen, aufdecken. Dementsprechend liegen die Hauptanwendungen der Proteomik in folgenden Feldern:

 

  • Suche nach Proteinen, deren Auftreten oder Fehlen mit Krankheiten (z.B. Tumorerkrankungen, neurodegenerative Krankheiten) korreliert ist:
  • Interessante Kandidaten können anschließend auf ihr Potential als diagnostischer Marker geprüft werden, oder darauf, ob sie Angriffspunkte für die Entwicklung therapeutischer Wirkstoffe bieten.
  • Aufklärung von biologischen Wirkmechanismen: Hierzu zählt z.B. die Identifizierung von Proteinen in Reaktionsketten, deren Resultate relevant für die Erforschung grundlegender Prozesse oder von Krankheitsentstehung sind.
  • Erfassung von Medikamentennebenwirkungen: Man verwendet vorzugsweise sensitive Zelllinien und untersucht die Auswirkungen der Testsubstanz auf das Proteom.

Die Proteomanalyse hat sich zu einer schlagkräftigen Plattformtechnologie zur Aufklärung physiologischer und pathologischer Vorgänge auf der Ebene einzelner Proteine, der wichtigsten Gruppe von biologischen Baustoff- und Werkzeugmolekülen, entwickelt. In der momentanen Post-Genom-Ära können von der Proteomik entscheidende Beiträge für das gesamt Life Science Umfeld erwartet werden.