Große Proteindatenbank veröffentlicht Proteomische Landkarten über alle Domänen des Lebens

Gene sind das Speichermedium des Lebens, die von ihnen codierten Proteine sind aber die eigentlichen Arbeitstiere. Max-Planck-Forscher haben nun das Proteom von 100 Organismen aus allen Domänen des Lebens entschlüsselt. In der veröffentlichten Datenbank lassen sich nun verwandte Proteine identifizieren und miteinander vergleichen.

Martinsried – Was haben die Hausmaus (Mus Musculus), das Darmbakterium E. coli und der in Thermalquellen lebenden Organismus Haloferax Mediterranei gemeinsam? Nichts, sollte man meinen, denn diese drei Lebewesen sind in ihrer evolutionären Abstammung weit voneinander entfernt. Sie gehören jeweils zu einer der drei unterschiedlichen Domänen in der Biologie: den Eukaryoten, den Bakterien oder den Archaeen. Alle drei Organismen nutzen aber bestimmte, ähnliche Biomoleküle, die für ihr Überleben wichtig sind: Proteine.

Hunderttausende Proteine entschlüsselt

Um neue Gemeinsamkeiten und Unterschiede der Organismen zu entdecken, haben Forscher vom Max-Planck-Institut für Biochemie, in Zusammenarbeit mit Forschungseinrichtungen aus München und Kopenhagen, das Proteom – also die Gesamtheit der Proteine einer Zelle oder eines Lebewesens – von 100 Organismen aus allen Domänen des Lebens analysiert. Zwei Millionen individuelle Peptide von insgesamt 340.000 Proteinen haben sie dazu gemessen. Die detektierten Proteinabschnitte ordneten sie vollständigen Proteinen zu, indem sie die Ergebnisse mit Datenbanken bekannter und vorhergesagter Genprodukte verglichen und mit anderen Datenbankinformationen verknüpften. Dies führte zu einer Sammlung von 8 Millionen Datenpunkten mit 53 Millionen Verbindungen. In keiner vorherigen Proteomics-Studie wurden so viele Proteine detektiert und quantifiziert, wie es in einer Pressemitteilung heißt.

„Wir konnten die Existenz von angenommenen, aber nie bestätigten Proteinen beweisen. Viele Proteine waren bisher nur als Vorhersage, anhand der bekannten Gensequenz, geläufig. 93% der von uns gemessenen Proteine waren bislang noch nicht experimentell bestätigt“, erklärt Johannes Müller, einer der beiden Erstautoren der Studie.

Ähnliche Proteine leichter finden

Wenn man die evolutionäre Verwandtschaft von Organismen untersucht, vergleicht man üblicherweise bestimmte Genabschnitte. „Mit der aktuellen Studie haben wir die verschieden Genprodukte, die Proteine, angeschaut. Wir können jetzt herausfinden, ob die einzelnen Organismen nicht nur die Bauanleitung der Proteine in sich tragen, sondern diese auch herstellen“, sagt Müller.

Es war schon bekannt, dass es Gene gibt, die über alle Domänen hinweg sehr ähnlich sind. Dazu gehören die Gene von Proteinfaltungshelfern, der Proteinherstellungsmaschinerie oder des Energiestoffwechsels. Mithilfe der Studie zeigten die Forscher jetzt, dass die dazugehörigen Proteine in allen Organismen in hoher Konzentration hergestellt werden. „Es ist nachvollziehbar, dass beispielsweise die Proteinfaltungshelfer für alle Organismen überlebenswichtig sind und deshalb über alle Domänen hinweg vorkommen“, sagt Müller.

Faltungszustand des Proteoms messen

Sonde zeigt Zellstress in neuem Licht

Aufbau einer Proteindatenbank

Die Daten für ihre Proteinsammlung generierten die Wissenschaftler mithilfe des Hochdurchsatzverfahrens der Massenspektrometrie. Damit lassen sich bekannte und unbekannte Proteine identifizieren und ihrer Menge bestimmen. Bioinformatische Verfahren erlauben anschließend die Analyse und Integration von zusätzlichen Informationen aus wissenschaftlichen Datenbanken.

Durch die Quantifizierung der gemessenen Proteine können Homologe, also evolutionäre verwandte Proteine, zwischen den Organismen verglichen werden. Die Daten erlauben es den Forschern, grundlegende Fragen zu beantworten, z.B.: Worin investieren Lebewesen über alle Domänen hinweg am meisten ihrer Ressourcen? Verwandte, in der Evolution konservierte Proteine können nun erstmals mengenmäßig miteinander verglichen werden.

Proteomische Landkarten

Aus dem jetzt zur Verfügung gestellten Rohdatensatz kann die Forschungsgemeinschaft in Zukunft noch viele weitere Erkenntnisse gewinnen. Matthias Mann fasst zusammen: „Wir stellen der Öffentlichkeit eine bisher nicht dagewesene Ressource an proteomischen Daten zur Verfügung um das biologische Wissen zu vermehren“, sagt Prof. Dr. Matthias Mann, Leiter der Abteilung Proteomics und Signaltransduktion. „Bildlich gesprochen: Mit den Proteomdaten der 100 verschiedenen Organismen haben wir neues molekulares Detailwissen generiert. Wie auf 100 Landkarten können wir nun in viele Teilbereiche hineinzoomen und neue Zusammenhänge entdecken und die Daten miteinander vergleichen. Sowohl für jeden Proteinforscher, der seine zu untersuchenden Proteine in anderen Organismen überprüfen will, als auch der Bioinformatiker, der von unseren Rohdaten bis zu unseren systembiologischen Erkenntnissen profitieren, sind diese Ergebnisse eine Ressource von unschätzbarem Wert.“

Unter den zahlreichen, bislang noch nicht charakterisierten Proteinen, vermuten die Forscher noch viele, die besonders wichtig für das Leben sind und somit für die Medizin von Interesse sein könnten, aber auch für die Biotechnologie. Die Daten der Studie können online unter der Seite www.proteomesoflife.org abgerufen werden.

Originalpublikation: J.B. Müller, P.E. Geyer, A.R. Colaço, P. V. Treit, M. T. Strauss, S. Doll, S. Virreira Winter, J. Bader, N. Köhler, F. Theis, A. Santos, M. Mann: The Proteome Landscape of the Kingdoms of Life, Nature, Juni 2020; DOI: 10.1038/s41586-020-2402-x

* Dr. C. Menzfeld, Max Planck-Institut für Biochemie, 82152 Martinsried

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