Vernetzung ist in der Biologie nicht nur innerhalb der Ökologie auf der Stufe der Organismen eine grosses Thema, sondern auch auf derjenigen der Moleküle. Diese Interaktionen zu erfassen ist ein wichtiges Ziel der Systembiologie. Doch so hehr das Ziel, so schwierig ist es zu erreichen. Bei Studien zu Proteininteraktionen konnte beispielsweise häufig nur herausgefunden werden, ob die einzelnen Moleküle, die man zusammen mit einem Zielprotein untersuchte, reagieren oder nicht, wenn ein Hemmstoff dazugegeben wird. Ob diese Reaktionen aufgrund einer spezifischen Reaktion mit dem Zielprotein zustande kamen, wusste man aber nicht, und eine quantitative Einschätzung blieb auch immer wieder auf der Strecke.

ETH-Forschern vom Institut für molekulare Systembiologie haben nun aber eine neue Methode entwickelt (1) , die es in einem Schritt erlaubt, spezifische Interaktionen zu erfassen, eine quantitative Analyse zu machen sowie die Phosphorylierung der Proteine zu bestimmen. Die Arbeit erscheint in der Märzausgabe des Wissenschaftsmagazins „Nature Biotechnology“ (2) .

Den Ausgangspunkt ihrer neuen Methode bildet eine massenspektrometrische Analyse. „Wir wählten dieses Verfahren, weil man mit der Massenspektrometrie am meisten Proteine auf ein Mal erfassen kann“, erläutert Matthias Gstaiger, Mitautor des Papers. Sein Kollege Lukas Müller ergänzt, dass bei dieser Methode die Massengenauigkeit und damit die Auflösung in den letzten Jahren stark verbessert wurden.

Führt man eine Messung durch, braucht hat man aber eine gute Analysesoftware, um die Signale in eine interpretierbare Form zu bringen, beziehungsweise die relevanten Signale herauszufiltern. Dies geschieht mit Hilfe der Software „Superhirn“, die auch an der ETH entwickelt wurde. Ein „Superhirn“ ist aber noch kein Garant, um die Spezifität der Bindungen aufzuzeigen.

Diese demonstrierten die ETH-Wissenschaftler mit einem speziellen Trick. Sie nahmen das Protein, dessen Bindungspartner eruiert werden sollten, und führten eine Verdünnungsreihe durch. In der massenspektrometrischen Analyse führte das dazu, dass die entsprechenden Signale in der Intensität abnahmen. „Wir konnten so bei unserem Modellprotein FoxO3A aus einer Suppe von 20'000 Proteinen 7 spezifische Bindungspartner festmachen“, erläutert Oliver Rinner, ein weiterer Autor. Gstaiger weist darauf hin, dass dieser Befund alles andere als selbstverständlich ist. Denn bis anhin erachtete man die Massenspektrometrie nur als semiquantitative Methode.

Haben im Team eine neue Methode zur Analyse von Proteininteraktionen entwickelt: Ruedi Aebersold, Matthias Gstaiger, Lukas N. Mueller, Markus Müller und Oliver Rinner (von links unten im Gegenuhrzeigersinn, dargestellt in einer Grafik, die Aufschluss gibt über Peptide, die spezifisch für bestimmte Proteine sind. Bild: L. Mueller)

Damit ist aber die Interpretation der Spektrogramme noch nicht ausgereizt. So konnten die ETH-Wissenschaftler auch den Phosphorylierungszustand der Proteine erkennen, also bestimmen, ob Phosphatgruppen angehängt sind oder nicht. Markus Müller, Bioinformatiker und Mitautor, erklärt, dass man dies aus der systematischen Verschiebung der Signalspitzen herauslesen könne.

Als gesamthaftes Bild der Experimente entsteht mit der neuen Methode eine Master map, im von den ETH-Forschern durchgeführten Modellfall für FoxO3A. „Diese stellt einen Fingerabdruck dar“, so Gstaiger. In diesem sind auch Daten enthalten, wie ein Protein auf veränderte Bedingungen reagiert. Die ETH-Wissenschaftler analysierten dies für FoxO3A, indem sie eine bestimmte Phosporylierung inhibierten.

Eine Master map kann auch als Grundlage für weitere Studien dienen, in denen beispielsweise eine einzelne Interaktion unersucht wird. Die ETH-Wissenschaftler wollen darum, dass Master maps über das Web frei zugänglich werden und auf neuen Datenbanken frei zur Verfügung stehen. Am Institut für Molekulare Systembiologie ist ein Ziel, weitere solche Master maps auch für ganze Proteingruppen herzustellen. So läuft bereits ein Projekt, bei dem in Zusammenarbeit mit der Gruppe von ETH-Professor Ernst Hafen bei Drosophila 50 Proteine auf ein Mal untersucht werden.

Insgesamt sind die Forscher überzeugt, dass ihre Methode wegweisenden Charakter hat für die Analyse von Proteinkomplexen. Für sie selbst wegweisend war auch die Zusammenarbeit beim Projekt. „Wir haben das nicht einfach als klassische Arbeit von ein bis zwei Doktoranden durchgeführt, die noch bei anderen Forschern Zusatzinformationen abholen. Vielmehr war es ein Teameffort verschiedener Gruppen“, erzählt Gstaiger. So konnte die Studie innerhalb von gut einem Jahr abgeschlossen werden, wohingegen es bei der klassischen Vorgehensweise wahrscheinlich drei Jahre gedauert hätte.