Proteine entdecken, zählen, katalogisieren

Mitochondrien, am besten bekannt für ihre Rolle als Zellkraftwerke, erfüllen viele lebensnotwendige Funktionen. Das Wissen über die genaue Proteinzusammensetzung sowie über die Funktionen einzelner Proteine ist wichtig, um grundlegende Prozesse der Zellbiologie und Krankheiten, die durch zelluläre Defekte verursacht werden, zu verstehen. Ein Team von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Universitäten Freiburg, Homburg und Rehovot/Israel unter der Leitung von Prof. Dr. Bettina Warscheid, Prof. Dr. Nikolaus Pfanner und Prof. Dr. Nils Wiedemann hat im Modellorganismus Bäckerhefe zahlreiche neue mitochondriale Proteine mit unbekannter Funktion entdeckt, gezählt und bestimmt. Die Studie soll Forschenden, die sich mit der Biologie von Mitochondrien beschäftigen – von der Hefe bis hin zum Menschen – als Informationsquelle dienen. Der Europäische Forschungsrat (ERC) hat die Forschung mit Consolidator Grants gefördert. Die Studie ist im Fachjournal „Cell Reports" erschienen.

Mittels der quantitativen Massenspektrometrie und mit bioinformatischen Methoden bestimmte zunächst ein Team aus Warscheids Arbeitsgruppe die Häufigkeit von Tausenden von Proteinen in unterschiedlichen Zellbestandteilen der Bäckerhefe. Ein Team aus der Arbeitsgruppe von Wiedemann analysierte die mitochondrialen Proteine mithilfe biochemischer Methoden und Mikroskopie. Das daraus resultierende mitochondriale Proteom umfasst insgesamt 901 Proteine. 82 davon waren zuvor noch nicht mit Mitochondrien assoziiert worden, bei 119 weiteren war die Lokalisierung in Mitochondrien nicht eindeutig.

Während Menschen beim Atmen Sauerstoff verbrauchen, können Hefezellen ihn entweder veratmen oder einen als Gärung oder Fermentation bezeichneten Stoffwechselweg verwenden, der aus der Herstellung alkoholischer Getränke bekannt ist. Die Wissenschaftler ließen Hefezellen im fermentativen oder respiratorischen Medium wachsen und stellten fest, dass der Wechsel von fermentativen zu respiratorischen Bedingungen dramatische Änderungen in Mitochondrien verursacht: Die Menge an mitochondrialen Proteinen einer einzelnen Zelle verdoppelt sich, und die Enzyme, die für die Sauerstoffatmung benötigt werden, liegen bei Wachstum in respiratorischem Medium sogar in vierfacher Menge vor.

Die Wissenschaftler untersuchten außerdem, in welchen Bereichen des Mitochondriums die verschiedenen Proteine lokalisiert sind und wie neu entdeckte Proteine mit anderen Proteinen in Netzwerken zusammenspielen. Damit gewannen sie weitreichende Daten über das neu definierte mitochondriale Proteom der Bäckerhefe.

Bettina Warscheid ist Leiterin der Abteilung Biochemie und Funktionelle Proteomforschung am Institut für Biologie II. Nils Wiedemann und Nikolaus Pfanner sind Arbeitsgruppenleiter am Institut für Biochemie und Molekularbiologie. Pfanner, Warscheid und Wiedemann sind Mitglieder des Exzellenzclusters BIOSS Centre for Biological Signalling Studies sowie der Spemann Graduiertenschule für Biologie und Medizin an der Universität Freiburg.

Original Veröffentlichung:

Definition of a High-Confidence Mitochondrial Proteome at Quantitative Scale.
Morgenstern M, Stiller SB, Lübbert P, Peikert CD, Dannenmaier S, Drepper F, Weill U, Höß P, Feuerstein R, Gebert M, Bohnert M, van der Laan M, Schuldiner M, Schütze C, Oeljeklaus S, Pfanner N, Wiedemann N, Warscheid B.
Cell Rep. 2017 Jun 27;19(13):2836-2852.

http://www.cell.com/cell-reports/abstract/S2211-1247(17)30811-2