Proteomics

INHALT

I.  EINLEITUNG: VON GENEN UND PROTEINEN  3

II.  DIE ERFORSCHUNG DES PROTEOMS  3

1.  BEGRIFFSDEFINITIONEN UND GESCHICHTE DER PROTEOMICS  3

2.  ÜBER DIE NOTWENDIGKEIT DER PROTEINFORSCHUNG  5

3.  WOZU SIND PROTEINE GUT? WISSENSCHAFTLICHE UND WIRTSCHAFTLICHE INTERESSEN  5

4.  PROTEINE UND IHRE AUFGABEN: METHODEN DER UNTERSUCHUNG  6

5.  AUFTRETENDE PROBLEME (UND IHRE LÖSUNG)  9

III.  SCHLUSS: WAS BRINGT DIE ZUKUNFT?  10

IV.  QUELLEN  11

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I. EINLEITUNG: VON GENEN UND PROTEINEN

Jahrelang war eines der Hauptziele der Biowissenschaften die Entschlüsselung des genetischen Codes von Organismen. Im Zentrum des Interesses stand dabei das menschliche Genom. Im Jahr 2001 meldeten schließlich Mitarbeiter des Internationalen Humangenomprojekts, das sie ihre Arbeit abgeschlossen hätten. Das menschliche Genom war nun entziffert. Im Vergleich mit den Daten, die man bei der Entschlüsselung des Genoms anderer Organismen gesammelt hatte, fiel dabei eine Tatsache besonders auf. Man hatte die Anzahl der Gene, die für den menschlichen Organismus codieren, stark überschätzt. Es stellte sich heraus, dass der Mensch weniger Gene als erwartet, und kaum mehr als der pflanzliche Modellorganismus Arabidopsis thaliana oder der Fadenwurm Caenorhabditis elegans besitzt, nämlich nur etwa 35.000. Die Größe des Genoms allein kann also kein Maß für die Komplexität eines Organismus sein. Die Reihenfolge der Basenpaare in der DNA allein sagt zudem nichts über die Art und Weise, wie ein Organismus funktioniert, was also ihn zum Leben erweckt, aus. Fast alle biochemischen Vorgänge im menschlichen Körper, wie auch in jedem anderen lebenden Organismus, basieren auf Proteinen. „Schätzungen gehen von bis zu 1 Mio. Proteinen aus,“ ¹ die im menschlichen Genom codiert sind. Sämtliche Prozesse und Strukturen, die das Leben ausmachen, basieren auf ihrer Interaktion. Der nächste logische Schritt ist deshalb, sich mit dem Proteom, also der Gesamtzahl an Proteinen, die ein Organismus im Laufe seiner Entwicklung sein eigen nennt, zu befassen, um die Vorgänge des Lebens besser zu verstehen. Welch immense Bedeutung Proteine für die medizinische und biologische Forschung haben, dass ihre Erforschung einen Wirtschaftsfaktor darstellt und welche die Methoden der Forschung anwendet, darüber soll im Folgenden ein kurzer Überblick gegeben werden.

II. DIE ERFORSCHUNG DES PROTEOMS

1. BEGRIFFSDEFINITIONEN UND GESCHICHTE DER PROTEOMICS

Schon lange ist der Begriff Genom in der Wissenschaft allgemein gebräuchlich. Als Genom bezeichnet man die Gesamtheit aller Gene, die ein Organismus in jeder seiner Zellen trägt. Im Genom sind alle Informationen enthalten, die ein Lebewesen ausmachen. Dementsprechend bezeichnet man die Forschung, die sich mit der Untersuchung des Genoms befasst auch als Genomics (= „Genomwissenschaften“).

Um die im Genom codierte Information aber in Proteine, die wichtigsten „Zell-Akteure“ ² eines jeden Lebewesens zu übersetzen, bedarf es des Transkriptoms. Es umfasst alle Information, die in einer Zelle aktuell vom Genom abgelesen wird und später in Protein übersetzt werden

¹ http://www.proteomicsnetwork.de/wip/wip100.html

² http://www.proteomicsnetwork.de/wip/wip200.html

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soll, und wird auch als RNA bezeichnet. Das Transkriptom kann also immer nur für eine einzelne Zelle oder höchstens einen Verband von Zellen mit gleicher Funktion bestimmt werden, da in einem Organismus an verschiedener Stelle je nach Bedarf unterschiedliche „Rezepte” vom Genom abgelesen werden.

Die „Gesamtheit der in einem Zellzustand exprimierten Proteine“ ³ schließlich bezeichnet man als Proteom. Das Proteom unterscheidet sich in seinem Informationsgehalt noch einmal ganz beträchtlich vom Transkriptom, da sekundäre Modifikationen der Proteine eine Vielfalt an neuen Proteinen erzeugen, die aus dem Transkriptom nicht ableitbar sind. Darauf soll später aber noch genauer eingegangen werden. Die wissenschaftliche Auseinandersetzung mit dem Proteom, seiner Zusammensetzung und Entstehung, nennt man auch Proteomics (= “Proteinwissenschaften“). Die amerikanische „National Academy of Sciences“ hat auf einem Workshop im Jahr 2002 dafür folgende Definition gefunden: „proteomics represents the effort to establish the identities, quantities, structures, and biochemical and cellular functions of all proteins in an organism, organ, or organelle, and how these properties vary in space, time, and physiological state. Proteomics is thus a huge, long-term task, much more involved than sequencing the genome.” 4

Bis die Proteomics aber in der Wissenschaft die ihrer Bedeutung angemessene Aufmerksamkeit erhielten und dem Interesse am Genom ernsthaft Konkurrenz machen konnten, dauerte es eine Weile: „Historically one can point back to meetings and articles over 20 years ago, when scientists began to think about mapping the entire set of human proteins…The Human Protein Index Project was developed in the late 70`s by Norman G. Anderson and N. Leigh Anderson at the Department of Energy`s Argonne National Laboratory…But this effort was perhaps ahead of his time given the lack of suitable technologies and shifting political sands. Instead, the rise of genomics took center stage.” ⁵ In drei kurzen Sätzen ist hier eigentlich schon das Essentielle zusammengefasst. Obwohl das Interesse am Proteom von Organismen, besonders aber des Menschen schon länger vorhanden war, führten in den vergangenen Jahrzehnten vor allem ein Mangel an geeigneten Untersuchungsmethoden, sowie die Konkurrenz mit der sehr attraktiven Möglichkeit das Genom des Menschen zu analysieren dazu, dass die Proteomics in den Hintergrund traten. Erst Jahre später, einhergehend mit der fortschreitenden Entschlüsselung des Genoms und der gewonnenen Erkenntnis, dass mit der Basenabfolge in der DNA noch nicht all zu viel Information über die Funktion der Gene und ihre Produkte gewonnen war, konzentrierte sich die Wissenschaft wieder mehr auf die Proteine. Verbesserte Analysemethoden wurden inzwischen entwickelt, und zunehmend taten sich

³ http://www.proteomicsnetwork.de/wip/wip200.html

⁴ http://www.nap.edu/books/NI000479/html/

⁵ http://www.nap.edu/books/NI000479/html/

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