Neues Proteomik-Verfahren: Detaillierter Einblick in die gestresste Zelle

Wenn Zellen in Stress geraten, läuft ein komplexes und genau reguliertes Programm ab, um bleibende Schäden abzuwenden. Als schnelle Reaktion nach einem Stress-Signal wird beispielsweise die Proteinsynthese heruntergefahren. Die Reaktion von Zellen auf Stress spielt etwa bei neurodegenerativen Erkrankungen eine wichtige Rolle.

Bislang war es kaum möglich, akute Veränderungen in der Zelle zu messen. Nun haben Forscher der Goethe-Universität Frankfurt eine Methode entwickelt, die dies ermöglicht.
Das Team um den Biochemiker Dr. Christian Münch, der eine Emmy-Noether-Gruppe leitet, nutzte einen simplen, aber äußerst wirkungsvollen Kniff: Bei der Messung aller Proteine im Massenspektrometer wurde ein Kanal zugeschaltet, der speziell das Signal von neusynthetisierten Proteinen verstärkt und so deren Messung überhaupt ermöglicht. So gelang es erstmals, mit hochmodernen quantitativen massenspektrometrischen Technologien akute Veränderungen in der Proteinsynthese zu erfassen.

Die Idee dazu entwickelten die Forscher, weil sie verstehen wollten, wie spezifische Stress-Signale die Proteinsynthese beeinflussen. „Die Herausforderung bestand darin, dass die Menge an neu produzierten Proteinen innerhalb eines kleinen Zeitintervalls extrem niedrig ist, das heißt wir müssen mit unseren Messungen kleinste Veränderungen von wenigen Prozent für jedes einzelne Protein erfassen“, kommentiert Projektleiter Münch das Verfahren. Die neu entwickelte Analysemethode verschafft seinem Team nun detaillierten Einblick in die molekularen Ereignisse, die das Überleben der Zelle nach Stress sichern. Die Reaktion von Zellen auf Stress spielt etwa bei neurodegenerativen Erkrankungen eine wichtige Rolle. Das Verständnis der zugrundeliegenden molekularen Prozesse öffnet damit auch die Tür für die Entwicklung neuer therapeutischer Strategien.

Zeitlich hochauflösende Messungen
„Die von uns entwickelte Methode ermöglicht zeitlich hochauflösende Messungen, das heißt wir können die schnellen, innerhalb von Minuten ablaufenden Reaktionen der Zelle auf Stress messen, gleichzeitig benötigt sie wenig Material und ist zudem auch noch kostengünstig“, erklärt Münch. „Damit können wir nun Tausende von Proteinen in definierten Zeitabständen nach einer Behandlung simultan quantifizieren.“ Aufgrund der geringen benötigten Probenmengen seien auch Messungen in Gewebeproben von Patienten möglich, was die Zusammenarbeit mit klinischen Kollegen ermögliche.

Das Projekt wird vom Europäischen Research Council (ERC) als Teil des von Münch eingeworbenen Starting Grants mitoUPR gefördert, in dem er Mechanismen der Qualitätskontrolle für mitochondriale Proteine untersucht. Münch wird darüber hinaus im Emmy-Noether-Programm der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert und ist Mitglied der Johanna Quandt Young Academy at Goethe. Seit Dezember 2016 leitet er die Arbeitsgruppe „Protein Quality Control“ am Institut für Biochemie II im Fachbereich Medizin der Goethe-Universität, nachdem er zuvor in einem der führenden Proteomiklabors an der Harvard-Universität tätig war.

Publikation:
Klann K, Tascher G, Münch C. Functional translatome proteomics reveal converging and dose-dependent regulation by mTORC1 and eIF2α. Molecular Cell 2020;77:1-13. doi.org/10.1016/j.molcel.2019.11.010