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Vom Proteinkomplex zum Netzwerk

„Um einen Organismus zu verstehen, muss man ihn in seiner Gesamtheit betrachten“, sagt Dr. Uwe Schulte. So wie der Biochemiker, der die Freiburger Logopharm GmbH führt, denken immer mehr Lebenswissenschaftler. Das Bestreben, das Große Ganze zu erforschen, setzt sich immer stärker durch; was die ständig steigende Zahl systembiologischer Forschungsprojekte widerspiegelt.

Vor zehn Jahren glaubten die meisten Wissenschaftler noch, sie würden das Geheimnis des Lebens ergründen, wenn sie endlich alle einzelnen Gene identifiziert hätten. Doch von dieser Idee hatte man sich schon bald verabschiedet. „Die eigentliche Grundlage biologischer Prozesse bilden die vielfältigen Wechselwirkungen zwischen den Genprodukten, die sich aus der genetischen Information nicht ablesen lassen“, erklärt Schulte. Konsequent folgt auch die Logopharm GmbH, die sich auf die Isolierung und Charakterisierung von Proteinkomplexen spezialisiert hat, dem Paradigmenwechsel. Bisher hat das Team vor allem gezielt Wechselwirkungen von Membranproteinen untereinander und mit Proteinen im Zellinneren identifiziert - im Auftrag von akademischen Einrichtungen, Biotech-Firmen und pharmazeutischen Unternehmen. Nun will die Logopharm ihre Membranproteomik-Plattform erweitern und das Zusammenspiel von Proteinen in großen Netzwerken entschlüsseln.
Das Schema zeigt einen neunstufigen Prozess, mit dem Proteinwechselwirkungen identifiziert werden können.
Proteom-Strategie zur gezielten Identifizierung. 1 Präparation von Gewebe; 2 Isolierung von Membranen (Dichte-Gradientenzentrifugation); 3 Solubilisierung von Protein-Komplexen mit schonenden Detergenzien; 4 Affinitätsreinigung von Zielprotein (komplexen) mit Antikörpern; 5 SDS-Page-Trennung und Färbung der isolierten Proteine; 6 Tryptischer Verdau zu Peptid-Fragmenten; 7 Massenspektrometrische Analyse der Peptide (nanoLC-MS/MS-Sequenzierung); 8 Protein-Identifizierung durch Datenbanksuche; 9 Identifizierung von Protein-Protein-Interaktionen und Interaktions-Netzwerken. © Uwe Schulte
Schon die einzelnen Partner innerhalb eines Proteinkomplexes zu untersuchen, kann sehr aufwendig sein. „Mittlerweile benötigen wir zwar meist nur einige Monate um Interaktionspartner eines Zielproteins zu identifizieren, ihre anschließende funktionelle Charakterisierung kann aber mehrere Jahre harte Arbeit bedeuten“, erzählt Schulte. Zunächst müssen die Proteinkomplexe intakt aus sorgsam präparierten Membranen herausgelöst werden. Mit spezifischen Antikörpern werden die Zielproteine herausgefischt und dann in kleinere Peptide zerlegt, die anschließend mittels Massenspektrometrie analysiert und quantifiziert werden. Schulte weiß, wovon er spricht, wenn er erzählt, wie viel Erfahrung und Zeit es braucht, um funktionelle Assays für neue Interaktionspartner zu entwickeln. Mit diesen können die Forscher dann überprüfen, ob und wie die gefundenen Proteine interagieren, welche Funktionen sie innerhalb des Komplexes wahrnehmen und wie sie mit fremden Substanzen interagieren.

Neue Zielstrukturen für Medikamente

Schulte hält nichts davon, mit Hochdurchsatzmethoden riesige Datenmengen zu produzieren, die man selbst nicht mehr überprüfen kann. Auch Strategien, die von vorneherein nur einen bestimmten Teil der wichtigen Reaktionspartner identifizieren können, wendet das Unternehmen nicht an. „Man weiß nie, was man verpasst und welche Funktion des Proteins deshalb verloren geht“, erklärt der Geschäftsführer. Denn Proteine, die sich innerhalb eines Komplexes gegenseitig beeinflussen, sind die Regel und nicht die Ausnahme. „Viele maßgebliche Eigenschaften eines Proteins werden von den anderen Partnern innerhalb des Komplexes mitbestimmt“, erklärt Schulte. Für die moderne pharmazeutische Forschung muss man daraus die unmittelbare Schlussfolgerung ziehen, dass Zielstrukturen für neue Medikamente nicht einzelne Proteine, sondern immer Proteinkomplexe oder sogar ganze Netzwerke sein müssen. „Man kennt viele Substanzen, die in In-vitro-Tests wunderbar an ein Einzelprotein binden, im nativen Komplex aber weitgehend versagen“, berichtet der Biochemiker.

Die detaillierte Kenntnis von Proteinkomplexen und Netzwerken erlaubt es, Substanzen zu entwickeln, die sehr gezielt angreifen können und dadurch einerseits besser, etwa selektiver wirken und andererseits weniger unerwünschte Wirkungen hervorrufen. So ist es möglich gezielt nach Substanzen zu suchen, die nicht mit wichtigen biologischen Bindungspartnern des Komplexes oder Netzwerkes konkurrieren. Auch für die Herstellung verlässlicher diagnostischer Werkzeuge oder Screening-Systemen ist dieses Wissen unerlässlich.

Maßgeschneiderte Assays

Große Erfahrung hat Schultes Team mit der Untersuchung von Ionenkanälen. „Oft wäre es nützlich, wenn man bestimmte Ionenkanäle gezielt blockieren könnte“, berichtet der Firmenchef. Ursprünglich dachte man, die Poren selbst, in denen die unterschiedlichen Ionen selektiv durch die Membranen hindurchgeschleust werden, seien ein ideales Angriffsziel für neue Wirkstoffe. Doch da die Poren der verschiedenen Ionenkanäle recht ähnlich strukturiert sind, ist dieser Ansatz in der Praxis meist gescheitert. „Nun versucht man, nicht mehr die Kanalpore direkt zu blockieren, sondern an Mechanismen anzugreifen, die das Öffnen und Schließen der Pore steuern“, erklärt Schulte.
Schematische Darstellung einer Synapse
An Synapsen wird zwischen chemischer und elektrischer Informationsübertragung umgeschaltet - ein komplexer Vorgang mit vielen Helfern. Cytoskelett-Proteine (schwarz/graue Filamente), Adaptor-Proteine (ultramarinblau) und Membrananker (braun, orange) halten die funktionellen Einheiten der Synapse zusammen. Dazu gehören Rezeptoren (grün), Ionenkanäle (rot) und membranständige Transporter (gelb-grün). "Scaffold"-Proteine“ (violett) vernetzen die unterschiedlichen Komponenten unter Kontrolle von Modulatoren (kobaltblau). Enzymkomplexe (blaugrün) unterstützen den Stoffwechsel und regulieren Proteinfunktionen. © Uwe Schulte
Das A und O im frühen Stadium der Medikamentenentwicklung ist der Aufbau geeigneter Testsysteme. Die Assays müssen maßgeschneidert sein: nicht nur für ein isoliertes Zielprotein, sondern besser für den Zielproteinkomplex oder gar für ein komplexeres Netzwerk. Schulte und sein Team können mit ihrer Technologie beitragen, die dafür relevanten, also physiologischen Partner zu identifizieren. In den vergangenen Jahren hat die Logopharm GmbH diese Kompetenz, die ihre Membranproteomik-Plattform auszeichnet, bei der Entschlüsselung verschiedenartigster Proteinkomplexe bewiesen. Zunehmend mehr werden die Mitarbeiter ihr Wissen nun für die Entschlüsselung stärker verzweigter Netzwerke nutzen.

Knotenpunkte im Fokus

Im Fokus der Forscher werden funktionelle Untereinheiten von membranständigen Kanälen und Rezeptoren sowie die Knotenpunkte innerhalb der mit ihnen verbundenen Signalwege stehen. Potenziell sind sie die sinnvollsten Angriffsflächen für neue Wirkstoffe“, sagt Schulte. Denn in großen Netzwerken ist es häufig wenig sinnvoll, nur einen bestimmten Rezeptor zu betrachten. Verdeutlichen lässt sich das am Beispiel von Tumorzellen, deren Wuchern man unterbinden will. Es erscheint zunächst plausibel, gezielt Bindungsstellen von wachstumstimulierenden Rezeptoren zu blockieren. Nur leider funktioniert dieser Ansatz häufig nicht, da andere Rezeptoren vorhanden sind, die ein ebenso effektives Wachstumssignal auslösen können. Manchmal sind auch ganze Pfade innerhalb eines Netzwerks mit paralleler Redundanz angelegt. Blockiert ein Wirkstoff beispielsweise das Schlüsselprotein des Hauptwegs, kann das Signal immer noch auf einem Nebenweg zum Zielort weitergeleitet werden.

Das Logopharm-Team hat jüngst damit begonnen, größere Netzwerke zu untersuchen. Und wie bei Proteinkomplexen strebt die Firma eine breite systematische Analyse an. Das Geflecht der Partner will man möglichst umfassend beschreiben und analysieren. Denn das Ziel, das Schulte verfolgt, ist klar: „Wir wollen ein vertieftes Verständnis biologischer Prozesse erlangen.“

kb - 02.10.08
© BIOPRO Baden-Württemberg GmbH

Weitere Informationen zum Beitrag:
Logopharm GmbH
Dr. Uwe Schulte
Schloßstr. 14
79232 March
Tel.: 07665/9343-40
Fax: 07665/9343-70
E-Mail: info@logopharm.com

Seiten-Adresse: https://www.gesundheitsindustrie-bw.de/fachbeitrag/pm/vom-proteinkomplex-zum-netzwerk