Veränderte Proteine messen

Zellen regulieren die Funktion von Proteinen (Eiweissen) auf verschiedenste Weise, unter anderem durch die Ver?nderung der Proteinstruktur. Wie durch ein Fingerschnippen kann ein Eiweiss in eine andere Form ¨¹bergehen und dadurch andere, keine oder allenfalls sogar ?falsche? Funktionen aus¨¹ben: Beim Menschen k?nnen Proteine, die sich falsch falten, die Ursache von schweren Erkrankungen wie Alzheimer, Parkinson oder Cystischer Fibrose sein. Manche dieser Proteine haben auch die Tendenz, weitere ?Artgenossen? anzustecken und sich zu unaufl?slichen sogenannten Amyloid-Fibrillen oder -Plaques zusammenzulagern. Diese Amyloide k?nnen Zellen und Gewebe sch?digen und krank machen.

Bisherige Grenzen ¨¹berwunden

Methoden, um strukturell ver?nderte Proteine in komplexen biologischen Proben quantitativ erfassen zu k?nnen, gab es bis anhin nicht. Zwar bestehen eine Reihe von Techniken um strukturver?nderte Proteine zu untersuchen, etwa die R?ntgenkristallographie, die Kernresonanzspektroskopie und weitere spektroskopische Techniken. Doch mit diesen Verfahren lassen sich komplexe biologische Proben nicht analysieren. Auch andere Methoden, mit denen Forscher Strukturver?nderungen von Proteinen in Zellen untersuchen, haben Grenzen: Die fraglichen Eiweisse m¨¹ssen vor der Analyse speziell markiert werden, damit die Wissenschaftler sie in Proben beobachten k?nnen. Dieses Vorgehen ist allerdings nur f¨¹r wenige Proteine einer Probe m?glich.

Nun hat das Team von Paola Picotti, Professorin f¨¹r die Biologie von Proteinnetzwerken, einen Weg gefunden, den Grossteil der strukturell ver?nderten Proteine in einer beliebigen biologischen Probe zu messen. Diese Probe kann Tausende verschiedener Eiweisse enthalten. Picotti und ihre Mitarbeiter haben es geschafft, die Mengen von strukturver?nderten Proteinen direkt aus einem komplexen Proteingemisch, wie es in Zellen vorkommt, zu messen. Dazu mussten sie die Proben weder reinigen noch anreichern.

Kombination mehrerer Verfahren

F¨¹r ihr neues Verfahren kombinierten die Forschenden eine ?alte? Technik und einen modernen Ansatz der Proteomforschung. Erst werden den Proben alt bekannte Verdauungsenzyme wie die Proteinase K hinzugef¨¹gt, welche die Proteine strukturabh?ngig in sogenannte Peptide zerschneiden. Die Bruchst¨¹cke k?nnen anschliessend mit einem Verfahren gemessenen werden, das Paola Picotti w?hrend ihrer Postdoc-Zeit an der ETH massgeblich mitentwickelt hat. Diese als Selected Reaction Monitoring (SRM) benannte Methode erlaubt es, gezielt nach vielen verschiedenen Peptiden zu suchen und deren Mengen zu messen. Anhand der gefundenen Peptide lassen sich Proteine, die in der Probe urspr¨¹nglich vorhanden waren, bestimmen und quantifizieren.

Der Clou an der Sache ist, dass die Verdauungsenzyme gleichartige Proteine, die unterschiedlich gefaltet sind, an verschiedenen Stellen zerschneiden. Dadurch entstehen unterschiedliche Bruchst¨¹cke, die sich wie ein Fingerabdruck eindeutig den jeweiligen Strukturen dieses Proteins zuordnen lassen.

?Damit k?nnen wir die Methode gezielt f¨¹r die Analyse von strukturellen Ver?nderungen von spezifischen Proteinen oder ganzen Eiweissnetzwerken einsetzen. Sie erlaubt uns, zahlreiche Proteine gleichzeitig zu erfassen?, sagt Picotti.

Bei parkinsonverursachenden Protein klappt¡®s

Auf der Basis ihrer neuen Methode entwickelten die Forschenden einen Test, um spezifisch die ?gesunde? und die ?kranke? Version des Proteins Alpha-Synuclein in komplexen ungereinigten Proben wie z.B. Blut oder R¨¹ckenmarksfl¨¹ssigkeit zu messen. Alpha-Synuclein gilt als Verursacher von Parkinson. Dieses Protein kann seine Struktur ver?ndern. Die krankmachende Strukturvariante lagert sich mit ihresgleichen zu Amyloid-Fibrillen zusammen, welche Nervenzellen sch?digen.

Mithilfe des Tests gelang es den Wissenschaftlern, die Mengen von krankmachendem und nicht-krankmachendem Alpha-Synuclein direkt in der Probe exakt zu messen. Der Test liefert auch Informationen ¨¹ber den Aufbau des Proteins. ?Er zeigt uns, welche Abschnitte des Proteins sich ver?ndern und zur neuen krankmachenden Struktur werden?, sagt Paola Picotti.

Steigende Zahl von Amyloidosen

Noch k?nne aber Alpha-Synuclein nicht als Biomarker verwendet werden. Die Menge des Proteins sei im Blut oder in R¨¹ckenmarksfl¨¹ssigkeit bei Gesunden und Parkinsonerkrankten immer etwa gleich gross. ?Es k?nnte jedoch sein, dass sich das Verh?ltnis der pathogenen zur apathogenen Alpha-Synucleinstuktur ¨¹ber die Zeit ver?ndert?, vermutet die ETH-Professorin. ?Weil wir mit der neuen Methode diese beiden Alpha-Synucleinstukturen in einer Vielzahl von Proben messen k?nnen, kann dies vielleicht k¨¹nftig zur Entwicklung neuer Biomarker f¨¹r diese Krankheit genutzt werden?, hofft sie. Mit der Methode sei es ¨¹berdies m?glich, ohne Vorwissen weitere bisher unbekannte Amyloid-bildende Proteine, die in Zusammenhang mit Krankheiten stehen k?nnten, zu entdecken.

Beide Anwendungen ¨C die Quantifizierung eines spezifischen, bereits bekannten Proteins von ver?nderter Struktur und das Auffinden neuer Proteine mit abweichenden Strukturen ¨C seien medizinisch hoch relevant, f¨¹hrt Picotti weiter aus. ?Die Anzahl von Amyloidosen, also Erkrankungen, die aufgrund der Ver?nderung von Proteinstrukturen entstehen, steigt jedes Jahr an.?