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- February 20, 2009
- 04:15 AM
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Die Seltsame Krankheit des Benjamin Button
Benjamin Button wird als Greis geboren und im Lauf des Films immer jünger. Es gibt tatsächlich eine Krankheit, die Kinder zu Greisen macht: Progerie. Bei betroffenen Patienten ist eine Mutation im LMNA Gen dafür verantwortlich, dass Struktur und Vorgänge im Zellkern gestört sind. Lohnt sich die Forschung an einer Krankheit, an der weltweit nur 50 Menschen erkrankt sind?... Read more »
Maria Eriksson, W. Ted Brown, Leslie B. Gordon, Michael W. Glynn, Joel Singer, Laura Scott, Michael R. Erdos, Christiane M. Robbins, Tracy Y. Moses, Peter Berglund.... (2003) Recurrent de novo point mutations in lamin A cause Hutchinson–Gilford progeria syndrome. Nature, 423(6937), 293-298. DOI: 10.1038/nature01629
Sofia Rodriguez, Fabio Coppedè, Hanna Sagelius, & Maria Eriksson. (2009) Increased expression of the Hutchinson–Gilford progeria syndrome truncated lamin A transcript during cell aging. European Journal of Human Genetics. DOI: 10.1038/ejhg.2008.270
Paola Scaffidi, Leslie Gordon, & Tom Misteli. (2005) The Cell Nucleus and Aging: Tantalizing Clues and Hopeful Promises. PLoS Biology, 3(11). DOI: 10.1371/journal.pbio.0030395
T. Dechat, K. Pfleghaar, K. Sengupta, T. Shimi, D. K. Shumaker, L. Solimando, & R. D. Goldman. (2008) Nuclear lamins: major factors in the structural organization and function of the nucleus and chromatin. Genes , 22(7), 832-853. DOI: 10.1101/gad.1652708
- March 19, 2009
- 07:41 AM
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DNA-Sequenzierungsmethoden und Ethische Implikationen
Die Methoden zur DNA-Sequenzierung haben sich in den letzten Jahren rasant entwickelt. Hier ein Überblick über die Aktuellsten, die es bald möglich machen könnten, für unter 1000 Euro ein komplettes menschliches Genom zu sequenzieren. Bei gegebener technischer Machbarkeit stellt sich die Frage: Was passiert, wenn die Daten in die Hände der Krankenkassen geraten?... Read more »
James Clarke, Hai-Chen Wu, Lakmal Jayasinghe, Alpesh Patel, Stuart Reid, & Hagan Bayley. (2009) Continuous base identification for single-molecule nanopore DNA sequencing. Nature Nanotechnology. DOI: 10.1038/nnano.2009.12
- February 2, 2009
- 02:14 AM
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Sieben Stunden Schlaf sind nicht genug
Wer weniger als sieben Stunden pro Nacht schläft hat ein dreifach höheres Risiko sich zu erkälten. Da in Deutschland wohl 40 Millionen Menschen zu dieser Risikogruppe gehören, schlage ich vor, die Arbeitszeit für jeden um eine Stunde morgens zu kürzen. Der Arbeitsminister Olaf Scholz wäre weniger begeistert, vielleicht kann die Gesundheitsministerin Ulla Schmidt überzeugt werden.... Read more »
S. Cohen, W. J. Doyle, C. M. Alper, D. Janicki-Deverts, & R. B. Turner. (2009) Sleep Habits and Susceptibility to the Common Cold. Archives of Internal Medicine, 169(1), 62-67. DOI: 10.1001/archinternmed.2008.505
- July 27, 2008
- 10:07 AM
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Stammzellen: Neuer Meilenstein bei der Reprogrammierung
Forscher aus Münster und Aachen haben es geschafft, Körperzellen mit weniger Eingriffen als bisher bekannt in eine Art embryonalen Zustand zurückversetzen. Die Daten wurden in der aktuellen Ausgabe von Nature publiziert.
Das Stammzelldilemma
Die Forschung an humanen embryonalen Stammzellen ist umstritten. Einerseits werben Wissenschaftler für die Forschung mit dem großen Wissensgewinn über zell- und entwicklungsbiologische Grundlagen und mit potentiell weitreichenden Therapiemöglichkeiten, die selbstredend auch erst entdeckt und erforscht werden wollen... Read more »
Jeong Beom Kim, Holm Zaehres, Guangming Wu, Luca Gentile, Kinarm Ko, Vittorio Sebastiano, Marcos J. Araúzo-Bravo, David Ruau, Dong Wook Han, Martin Zenke.... (2008) Pluripotent stem cells induced from adult neural stem cells by reprogramming with two factors. Nature. http://www.nature.com/doifinder/10.1038/nature07061
M LEWITZKY, & S YAMANAKA. (2007) Reprogramming somatic cells towards pluripotency by defined factors. Current Opinion in Biotechnology, 18(5), 467-473. http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S095816690700119X
- June 11, 2009
- 07:18 PM
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Der Ursprung und die Zukunft der Schweinegrippe
Bisher rund 30 000 Infizierte weltweit und die Pandemie fängt gerade erst an. Die WHO hat die höchste Warnstufe für die Schweinegrippe ausgerufen. In einem aktuellen Paper in Nature wird gezeigt, woher das H1N1 Virus historisch tatsächlich stammt. Gestern hat die WHO die höchste Warnstufe für die Schweinegrippe H1N1 ausgerufen. In Ländern mehrerer Kontinente verursacht die Schweingerippe beständig neue Infektionen. Das Grippevirus scheint zum Glück nicht annähernd so gefährlich zu sein wie nach den ersten beschriebenen Fällen in Mexiko angenommen. Ungewöhnlich ist dennoch, dass bevorzugt junge Menschen erkranken und die Grippe bei Menschen zwischen 30 und 50 Jahren die schwersten Verlaufsformen zeigt.
Die Bilanz bisher: 30 000 Infizierte in 74 LändernLaut einer ersten Bilanz der Schweinegrippe sind momentan fast 30 000 Menschen in 74 Ländern als infiziert gemeldet. Die Ausbreitung der Schweinegrippe ist die bisher am besten dokumentierte Pandemie. Das liegt auch daran, dass bisher fast nur Fälle in entwickelten Ländern aufgetreten sind mit funktionierendem Gesundheitssystem. Die Schweinegrippe ist keinesfalls vorbei, die Pandemie fängt gerade erst an.
Obwohl die meisten Fälle bisher eher mild verlaufen muss man laut WHO mit deutlich mehr schweren Erkrankungen und Todefällen rechnen, wenn die Grippewelle auf Entwicklungsländer mit schlechter medizinischer Versorgung und mangelnder Hygiene übergreift. Die Entwicklung eines Impfstoffes ist in vollem Gang, und sollte nur noch wenige Monate dauern. Ob das potentiellen Erkrankten in der dritten Welt nützt sei dahingestellt.
Der Ursprung der Schweinegrippe
Nach dem Bekanntwerden der ersten Grippefälle vor sechs Wochen wurde diskutiert, ob es sich tatsächlich um Schweinegrippe handelt, oder ob das Virus nicht ein Hybrid aus Vogel- und Schweinevirusgenen ist. Zur Erinnerung: Das Influenzavirus enthält acht Gene. Zwei davon, das Hemagglutinin (H) und die Neuraminidase (N) kodieren für Oberflächenproteine des Virus und werden zur Namensgebung herangezogen (H1N1). Die Sequenzierung des Virus hat ergeben, dass es sich eindeutig um ein Schweinevirus handelt, das auf den Menschen übergesprungen ist.
In einem aktuell noch frei zugänglichen Paper, publiziert vorab gestern am 11.06.09 in Nature, ist eine interessante Abbildung eingebunden. Sie zeigt die Entwicklung relevanter Grippestämme über die letzten 40 Jahre. Die Abbildung zeigt die individuellen Ursprünge der acht Influenza Gene. Jedes hat eine eigene farbige Linie. Sie macht deutlich, dass es im Schwein relativ häufig zu Rekombinationsereignissen zwischen den unterschiedlichen Viren kommt. Klick auf das Bild vergrößert die Abbildung in einem extra Fenster.
Die Autoren des Papers "Origins and evolutionary genomics of the 2009 swine-origin H1N1 influenza A epidemic" zeigen, dass das aktuelle Virus aus mehreren im Schwein zirkulierenden Viren kombiniert ist. Die Übertragung auf den Menschen muss schon einige Monate vor Bekanntwerden des Ausbruchs in Mexico und den USA erfolgt sein.
Eng verwandte Viren wurden bereits vor 9 bis 17 Jahren in Schweinen gefunden. Die Autoren schließen daher aus, dass es sich um ein künstlich hergestelltes Virus handelt. Diese Annahme gab ja Anlass zu allerlei Verschwörungstheorien.Smith, G., Vijaykrishna, D., Bahl, J., Lycett, S., Worobey, M., Pybus, O., Ma, S., Cheung, C., Raghwani, J., Bhatt, S., Peiris, J., Guan, Y., & Rambaut, A. (2009). Origins and evolutionary genomics of the 2009 swine-origin H1N1 influenza A epidemic Nature DOI: 10.1038/nature08182
Foto oben via flickr (cc)
Hier könnte auch Ihr Banner stehen:... Read more »
Smith, G., Vijaykrishna, D., Bahl, J., Lycett, S., Worobey, M., Pybus, O., Ma, S., Cheung, C., Raghwani, J., Bhatt, S.... (2009) Origins and evolutionary genomics of the 2009 swine-origin H1N1 influenza A epidemic. Nature. DOI: 10.1038/nature08182
- December 23, 2008
- 04:11 AM
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Was macht das Prion-Protein eigentlich sonst so?
Wenn sich das Prion-Protein nicht gerade falsch faltet und zu Prionen wird, hat es eine Funktion beim Riechen, wie jetzt Versuche mit Mäusen gezeigt haben. Kann dies möglicherweise genutzt werden, um Prionenerkrankungen früh zu diganostizieren? Was ist überhaupt der Unterschied zwischen Prion-Protein und Prionen?... Read more »
Claire E Le Pichon, Matthew T Valley, Magdalini Polymenidou, Alexander T Chesler, Botir T Sagdullaev, Adriano Aguzzi, & Stuart Firestein. (2008) Olfactory behavior and physiology are disrupted in prion protein knockout mice. Nature Neuroscience. DOI: 10.1038/nn.2238
- January 14, 2009
- 05:06 AM
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SPIEGEL-Online versagt: Otto Heinrich Warburg, die Atmung und Krebs
Otto Heinrich Warburg hat 1931 den Nobelpreis für Medizin gewonnen. Er und ein Paper werden in einem aktuellen SPIEGEL-Online Artikel verunglimpft. Hier die Erklärung warum wir atmen und was die Warburg-Hypothese mit der Entstehung von Krebs zu tun hat.... Read more »
M. A. Kiebish, X. Han, H. Cheng, J. H. Chuang, & T. N. Seyfried. (2008) Cardiolipin and electron transport chain abnormalities in mouse brain tumor mitochondria: lipidomic evidence supporting the Warburg theory of cancer. The Journal of Lipid Research, 49(12), 2545-2556. DOI: 10.1194/jlr.M800319-JLR200
- August 6, 2010
- 07:10 AM
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Chaperone und Evolution - Stress bei Fruchtfliegen
Die schlechte Nachricht zuerst: Einige Fruchtfliegen sind wahrscheinlich schon zu Zombies mutiert. Die gute Nachricht: Sie werden es nie merken. Schuld ist das Chaperon Hsp90, das unter normalen Bedingungen dafür sorgt, dass sich Fliegen - trotz Mutationen - normal entwickeln können. Unter Stress sieht das ganz anders aus.
In der aktuellen Ausgabe von Nature ist ein Paper über Foldit erschienen. Foldit ist ein Online-Computerspiel zur Vorhersage der Struktur von fertig gefalteten Proteinen. Wer mein Blog regelmäßig liest, hat von dem Spiel hier schon vor drei Wochen erfahren - in einem Artikel in dem das Problem der Proteinfaltung vorgestellt wurde.
Im Folgepost ging es um molekulare Chaperone, also Proteine, die anderen Proteinen beim Falten helfen. Chaperone sind notwendig, da der Prozess der Proteinfaltung nicht immer spontan abläuft. Außer dem dort schon vorgestellten GroEL-Chaperon gibt es in Zellen noch mehrere andere Chaperonklassen mit sehr unterschiedlichen Funktionsmechanismen aber mit ganz ähnlichen Aufgaben: Beim Falten und bei der Instandhaltung von Proteinen in der Zelle zu helfen.
Eines davon heisst Hsp90 und anhand dieses Chaperons wurde vor gut 10 Jahren überraschend eine weitere, sekundäre Funktion der Chaperone postuliert: Sie sollen bei der Evolution ihrer interagierenden Substratproteine eine fördernde Rolle spielen, in dem sie als eine Art Puffer gegen negative Effekte von Mutationen fungieren.
Zur Verdeutlichung was damit gemeint ist, hier eingebunden eine Abbildung aus dem Paper in Nature in dem 1998 diese Pufferhypothese postuliert wurde. Die Abbildung gleicht einem Horrorkabinett. Man sieht die Fruchtfliege Drosophila ganz oder in Teilen, und auf jeden Bild ist etwas nicht wie es sein soll. Mal sind die Augen anders gefärbt, mal ganz abhanden. Mal sind die Flügel verkrüppelt, mal die Beine. Fotografiert sind hier Fliegen, die unterschiedliche Mutationen in dem Gen tragen, das für das Chaperon Hsp90 kodiert.
Die Pufferhypothese sieht also vereinfacht so aus: Chaperonsubstrate (in diesem Fall die von Hsp90) können im Lauf der Zeit Mutationen anhäufen. Das ist kein direkter Nachteil für die Substratproteine, da die Chaperone trotzdem noch beim Falten helfen, die Mutationen sozusagen abpuffern. Wenn das Chaperon Hsp90 selbst aber nicht mehr richtig funktioniert oder nicht mehr in ausreichender Menge vorhanden ist, wie im Fall der Fliegen im Bild weiter oben, fällt dieser Schutz weg und die Phänotypen der angehäuften Mutationen kommen allesamt zum Vorschein.
Diese Entdeckung hat Implikationen für die Evolution der Fliegen. Wenn sie während der Entwicklung vom Ei zur Fliege unter Stress geraten, also zum Beispiel ungewöhnlich hohen Temperaturen ausgesetzt sind, wird das in den Zellen vorhandene Hsp90 ausgeschöpft um Proteine instand zu halten. Dadurch kommt es zu einer Verknappung des Chaperons und die bereits vorhandenen aber bislang kryptischen Mutationen zeigen sich phänotypisch, also im Aussehen der Fliegen. Das ist in den allermeisten Fällen nicht unbedingt positiv, wie man in der Abbildung oben bewundern kann, manchmal jedoch entsteht dadurch ein Vorteil, der sich recht schnell evolutiv manifestiert.
Die Fliegen sind also praktisch schon vorab an sich ändernde Umweltbedingungen angepasst, sie wissen es nur nicht. Erst tatsächlich auftretender Stress führt dazu, dass die angesammelten Mutationen plötzlich einen Effekt haben und die Fliegen sich schnell Veränderungen anpassen können. Ein plausibler, übergeordneter evolutiver Mechanismus, der übrigens von der gleichen Gruppe auch in Arabidopsis gezeigt wurde.
Tatsächlich waren die Papers bahnbrechend und ich bin nicht der einzige der denkt, dass Susan Lindquist, die Hauptautorin dieser Publikationen, eine wahrscheinliche Kandidatin für einen Nobelpreis wäre, sofern er mal für Chaperone vergeben wird.
Rutherford, S., & Lindquist, S. (1998). Hsp90 as a capacitor for morphological evolution. Nature, 396 (6709), 336-342 DOI: 10.1038/24550
Teil1: Das Problem der Proteinfaltung
Teil2: Sittenlose Luder werden von Anstandsdamen richtig erzogen
Spiele das Spiel Deines Ablebens:
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Rutherford, S., & Lindquist, S. (1998) Hsp90 as a capacitor for morphological evolution. Nature, 396(6709), 336-342. DOI: 10.1038/24550
- November 27, 2009
- 03:23 AM
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Ein Modellorganismus für die Systembiologie
Ein Bakterium mit der Minimalausstattung an Genen, die zum eigenständigen Überleben notwendig sind wird zum Modellorganismus für die Systembiologie. Drei Veröffentlichungen in der neuen Ausgabe von Science beschreiben die molekularen Baupläne von Mycoplasma pneumoniae. Komplexe Regulationsmechnismen verhelfen dem Organismus mit nur rund 700 Genen zu einer erstaunlichen Anpassungsfähigkeit.Forschung in der Biologie arbeitet mit Modellorganismen. Seien es Bakterien, Pilze, Pflanzen oder Tiere - für spezifische biologische Fragestellungen gibt es spezifische biologische Systeme, die in Laboren einfach gezüchtet und untersucht werden können. Für die molekularbiologischen Grundlagen gibt es E. coli. Für die Untersuchung des Zellzyklus Hefe. Die Fruchtfliege Drosophila wird unter anderem zur Untersuchung entwicklungsbiologischer Fragestellungen gezüchtet, Labormäuse sind zum Beispiel als Krankheitsmodell geeignet, da sie relativ nahe mit dem Menschen verwand sind. Es gilt immer: So komplex wie nötig und so einfach wie möglich.
Diese Woche wird ein neuer Modellorganismus etabliert. Das Forschungsgebiet heißt Systembiologie, der Organismus ist ein Bakterium: Mycoplasma pneumoniae. In drei Publikationen in der aktuellen Ausgabe von Science* (die jetzt langsam mal online sein könnte) stellen die Forschungsgruppen von Anne-Claude Gavin und Peer Bork am EMBL in Heidelberg und von Luis Serrano am CRG in Barcelona ihre Ergebnisse vor.
Mycoplasma pneumoniae wird der neue Modellorganismus für die SystembiologieSystembiologie ist eine relativ junge Disziplin in den Biowissenschaften. Die Idee ist, komplexe biologische Systeme in ihrer Gesamtheit zu verstehen. Im Idealfall also ganze Organismen. Systembiologen arbeiten mit großen, quantitativen Datensätzen und mit experimentellen Ergebnissen genauso wie mit mathematischen Modellen.
Mycoplasma pneumoniae ist ein idealer Modellorganismus für diese Forschungsdisziplin. Es ist eines der kleinsten Lebewesen, die im Labor autark gezüchtet werden können. Das Bakterium hat nicht mehr als 700 Gene, wohl fast die Minimalausstattung, die zum Leben notwendig sind. Zum Vergleich: E. coli hat schon mehr als 4000, Hefe über 6000 und beim Menschen sind wir momentan bei rund 22000 proteinkodierenden DNA-Abschnitten.
Die drei Papers in Science beschäftigen sich auf unterschiedlichen molekularen Ebenen mit Mycoplasma pneumoniae, es geht um die Fragen, wie man einen gesamten Organismus systemisch erfassen und untersuchen kann und was Mycoplasma so besonders macht. Es stellte sich heraus: Trotz der geringen Anzahl an Genen ist die Regulation des Organismus erstaunlich komplex.
Komplexe molekulare Regulationsmechanismen trotz oder gerade wegen einer minimalen GenomgrößeDie komplette DNA des Organismus wurde sequenziert und transkriptionelle Einheiten wurden definiert. Weiter wurde die transkriptionale Regulation von Mycoplasma untersucht. Also: Welche lokalen Eigenschaften der DNA sind dafür verantwortlich, dass ein Gen niedrig oder hoch exprimiert wird.
Das zweite Paper beschäftigt sich mit dem Aufbau von Proteinkomplexen in Mycoplasma. Die Autoren konnten zeigen, dass trotz der geringen Anzahl von Proteinen eine erstaunliche Vielfalt an Proteinkomplexen exisitert. Viele Proteine haben sogenannte „moonlighting functions". Sie wurden also auch mit Partnern assoziiert gefunden, die mit der primären Funktion des Proteins nicht direkt zu tun haben.
Neben der DNA/RNA Ebene und der Proteinebene wurde der Metabolismus von Mycoplasma pneumoniae untersucht. Zahllose Experimente mit unterschiedlichen Wachstumsmedien wurden ausgewertet um eine sogenannte metabolische Landkarte zu erstellen, Metabolite wurden experimentell bestätigt und wichtige Stoffwechselwege quantitativ untersucht.
Die drei Publikationen zusammen zeichnen ein erstes, wenn auch noch verschwommenes Abbild eines kompletten Organismus mit Zahlen und Daten zur DNA, zur Genexpression, zur Organisation des Proteoms und der metabolischen Regulation. Es ist das Grundgerüst, auf dem weitere Studien aufbauen können, alle mit dem Ziel zu verstehen, wie eigentlich Leben auf molekularer Ebene funktioniert.
*Full disclosure: Ich bin einer der Autoren auf zwei der drei Papers.
Guell, M., van Noort, V., Yus, E., Chen, W., Leigh-Bell, J., Michalodimitrakis, K., Yamada, T., Arumugam, M., Doerks, T., Kuhner, S., Rode, M., Suyama, M., Schmidt, S., Gavin, A., Bork, P., & Serrano, L. (2009). Transcriptome Complexity in a Genome-Reduced Bacterium Science, 326 (5957), 1268-1271 DOI: 10.1126/science.1176951
Yus, E., Maier, T., Michalodimitrakis, K., van Noort, V., Yamada, T., Chen, W., Wodke, J., Guell, M., Martinez, S., Bourgeois, R., Kuhner, S., Raineri, E., Letunic, I., Kalinina, O., Rode, M., Herrmann, R., Gutierrez-Gallego, R., Russell, R., Gavin, A., Bork, P., & Serrano, L. (2009). Impact of Genome Reduction on Bacterial Metabolism and Its Regulation Science, 326 (5957), 1263-1268 DOI: 10.1126/science.1177263
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Guell, M., van Noort, V., Yus, E., Chen, W., Leigh-Bell, J., Michalodimitrakis, K., Yamada, T., Arumugam, M., Doerks, T., Kuhner, S.... (2009) Transcriptome Complexity in a Genome-Reduced Bacterium. Science, 326(5957), 1268-1271. DOI: 10.1126/science.1176951
Yus, E., Maier, T., Michalodimitrakis, K., van Noort, V., Yamada, T., Chen, W., Wodke, J., Guell, M., Martinez, S., Bourgeois, R.... (2009) Impact of Genome Reduction on Bacterial Metabolism and Its Regulation. Science, 326(5957), 1263-1268. DOI: 10.1126/science.1177263
Kuhner, S., van Noort, V., Betts, M., Leo-Macias, A., Batisse, C., Rode, M., Yamada, T., Maier, T., Bader, S., Beltran-Alvarez, P.... (2009) Proteome Organization in a Genome-Reduced Bacterium. Science, 326(5957), 1235-1240. DOI: 10.1126/science.1176343
- February 16, 2010
- 04:52 AM
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Proteinkomplexe in Eukaryonten und Prokaryonten: Ein Experiment
Ich trage diese Idee schon eine ganze Weile mit mir herum. In absehbarer Zeit komme ich selbst kaum dazu, direkt daran zu arbeiten, außerdem fehlt mir zum Teil das Know-how. Was liegt näher, als hier im Blog um Hilfe zu bitten?
Es ist ein Experiment. Es geht um ein kleines Forschungsprojekt, dass ich hier vorstellen möchte. Im wahrscheinlichsten Fall (es interessiert keinen) werden nur ein, zwei Blogposts draus, die einen kleinen Einblick in mein Forschungsgebiet geben.
Im bestmöglichen Fall finden sich hier ein paar Biologen, Biochemiker, Biophysiker oder Physiker oder Mathematiker mit Interesse an biologischen Fragestellungen, wir kriegen tatsächlich ein paar Ergebnisse und versuchen diese dann zu publizieren. Nicht im Blog, sondern als Paper.
Grob gesprochen kommen Zellen in zweierlei Größen vor. Sie sind entweder rund einen Mikrometer groß, dazu zählen die meisten Prokaryonten, wie zum Beispiel E. coli, oder sie sind rund 10 Mikrometer groß, dazu zählen eukaryontische Zellen, wie zum Beispiel die der HeLa Tumorzelllinie. Das Volumen dieser Zellen unterscheidet sich also deutlich. Die einen haben etwa 1 µm³ Volumen, die anderen etwa 1000 µm³.
Für meine Idee müssen wir uns anschauen, wie es in der Zelle aussieht, und was dort eigentlich passiert. Das Innere einer Zelle ist ziemlich voll (Abbildung 1). Das meiste sind Proteine, die dort dicht an dicht gedrängt, aber dennoch gelöst vorliegen. Diese Moleküle liegen keinesfalls nur still da, sie bewegen sich durch die Brownsche Molekularbewegung ständig.
Abbildung1: Macromolecular Crowding in einer eukaryontischen Zelle.
Die Proteine in der Zelle zittern und diffundieren auch nicht nur einfach so vor sich hin, sie haben eine Funktion. Manche bilden filamentöse Strukturen, das Zytoskelett. Andere katalysieren chemische Reaktionen, und wieder andere lösen komplexe zelluläre Aufgaben, wie die Transkription von Genen oder die Translation von RNA Segmenten in Aminosäureketten (die sich wiederum zu neuen Proteinen falten). Viele dieser Aufgaben werden nicht von einzelnen Proteinmolekülen durchgeführt, sondern von sogenannten Proteinkomplexen, also mehrere Proteine im Verbund.
Bei meiner Idee geht es um die Proteinkomplexe und wie deren Komponenten zueinander finden.
Angenommen drei Proteine A, B und C bilden einen Komplex und sie liegen jeweils als 100 Moleküle pro Zelle vor, dann erscheint es logisch, dass sich diese drei Proteine in der kleineren Zelle viel schneller finden als in der großen. Hier also die erste Frage: Wie viele Moleküle müssten in der großen Zelle von A, B und C vorhanden sein, um in der gleichen Zeit genausoviele Komplexe wie in der kleinen Zelle zu bilden?
Es wird noch komplizierter. Proteine haben unterschiedliche Bindungsaffinitäten. Manche binden stärker, andere weniger stark an ihre Partner. Wie müssten sich diese Bindungsaffinitäten unterscheiden, dass in der größeren Zelle bei gleicher Anzahl von Proteinen A, B und C gleich viele Komplexe entstehen?
Große (eukaryontische) Zellen haben verschieden Strategien entwickelt, um diesem Problem zu entgehen. Zum einen sind eukaryontische Zellen kompatimentalisiert. Es gibt also verschieden Regionen in der Zelle, in denen die lokale Konzentration einzelner Proteine höher ist. Es gibt zum Beispiel den Zellkern oder Vesikel. Zum anderen haben eukaryontische Zellen spezifische Sortierungs-und Transportmechanismen für einzelne Proteine, um sicher zu gehen, dass diese auch dort in der Zelle hinkommen, wo sie sollen.
Hier also die Hypothese:
Ich glaube nicht, dass die Kompartimentalisierung oder der gerichtete Transport ausreicht, um zu garantieren, dass sich Proteinkomplexe in eukaryontischen Zellen effektiv bilden, besonders nicht im Zytosol und in der Zellmembran. Ich glaube auch nicht, dass die eukaryontischen Zellen durch die reine Erhöhung der Anzahl der einzelnen Proteine sicher stellt, dass sich Proteinkomplexe effektiv bilden. Ich denke, die Affinitäten der einzelnen komplexbildenden Proteine zueinander sind in eukaryontischen Zellen höher als in prokaryontischen Zellen.
Während also in E. coli möglicherweise ein "Just-in-time Assembly" der Komplexe stattfindet, bedingt durch einfache Diffusion und durch schwächere Interaktionen zwischen den komplexbildenden Proteinen, sind in höhreren Zellen stabile Proteinkomplexe ein häufigeres Phänomen. Dadurch kann die Zahl der einzelnen Proteine geringer gehalten werden und die Regulation durch die Genexpression wirkt direkter.
So. Um das ganze anzugehen brauchen wir als erstes jemanden, der Protein-Protein Interaktionen mathematisch auf Basis der Diffusion in Zellen modellieren kann. Dabei muss die Zellgröße, die Bindeaffinitäten der Proteine und Effekte des Macromolecular Crowding berücksichtigt werden. Jemand muss in der Literatur und in Datenbanken nach Bindeaffinitäten von Proteinen in Komplexen suchen. Wenn die Diffusion in der Zelle nicht zeitlich limitierend ist, ist das Projekt tot.
Der nächste Schritt wäre, experimentell zu zeigen, dass sich zwischen Prokaryonten und Eukaryonten konservierte Komplexe mit unterschiedlichen Affinitäten bilden. Entweder klassisch in vitro mit gereinigten Komponenten und Aktivitätsassays oder mit FRET, vielleicht light scattering, oder anderen Methoden, die Aufschluss über die Komposition der Komplexe geben. In vivo wäre natürlich die Krönung, nur wie?
Jemand Interesse? Sonst bleibt es eben eine Idee und ein Blogpost über einen kleinen Ausschnitt meiner Arbeit.
Abbildung 1 aus diesem Open-Access Paper:
Minton, A. (2001). The Influence of Macromolecular Crowding and Macromolecular Confinement on Biochemical Reactions in Physiological Media Journal of Biological Chemistry, 276 (14), 10577-10580 DOI: 10.1074/jbc.R100005200
Das hier könnte auch helfen:
Beyer, A. (2004). Dynamic simulation of protein complex formation on a genomic scale Bioinformatics, 21 (8), 1610-1616 DOI: 10.1093/bioinformatics/bti223
... Read more »
Minton, A. (2001) The Influence of Macromolecular Crowding and Macromolecular Confinement on Biochemical Reactions in Physiological Media. Journal of Biological Chemistry, 276(14), 10577-10580. DOI: 10.1074/jbc.R100005200
Beyer, A. (2004) Dynamic simulation of protein complex formation on a genomic scale. Bioinformatics, 21(8), 1610-1616. DOI: 10.1093/bioinformatics/bti223
- November 19, 2009
- 07:06 AM
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Adjuvantien in Impfstoffen: notwendiges Übel oder echte Innovation?
Die Diskussionen um das Adjuvans Squalen im pandemischen Influenzaimpfstoff Pandemrix hat die Kommentarspalten in meinem Blog gefüllt. Hier ein Gastbeitrag von Moritz Tobiasch zu den molekularen Grundlagen der Immunantwort, über verschiedene Impfstoff-Arten und der Funktionsweise von Adjuvantien.Moritz Tobiasch studiert Medizin an der TU München und macht derzeit sein Praktisches Jahr am New York-Presbyterian Hospital. Moritz will danach am Klinikum Rechts der Isar promovieren.
Dies ist der zweite Artikel mit wissenschaftlichen Grundlagen zum Immunsystem. Der erste vom Immunologen Dr. Felix Bohne ging über "Die Waffen des Abwehrsystems: Impfungen, Infektionen und die Immunantwort".Grundlagen zu Impfungen
Die Erfindung der Impfung liegt nun schon mindestens 200 Jahre zurück; manche sehen in ihr einen ähnlichen Meilenstein wie die Beherrschung des Feuers, die Erfindung des Rads oder die Digitalisierung. Man kann sich streiten, ob so viel Pathos einer Diskussion gut tut oder nicht. Es ist auf jeden Fall offensichtlich, dass die Impfung dazu geführt hat, dass gefährliche Krankheiten heute ihren Schrecken verloren haben. Manche Menschen - auch einige ansonsten ernst zu nehmenden Ärzte - gehen sogar so weit, die Infektionserkrankungen als unwichtig und "besiegt" abzutun. Das wäre aber grober Unfug: die häufigste Todesursache auf nicht-kardiologischen Intensivstationen ist immer noch die Sepsis, von den weltweiten epidemiologischen Herausforderungen Malaria, Hepatitis, Tuberkulose und HIV/AIDS ganz zu schweigen.
Das Prinzip der Impfung hat sich seit ihrer Erfindung nicht wesentlich verändert, das Verständnis dessen, was nach einer Impfung im Körper eigentlich vor sich geht, jedoch ganz fundamental. Nicht erst seit Beginn der AIDS-Epidemie steht das Immunsystem und seine wirklich ausgesprochen komplexe Regulation im Interesse der Forschung. Ins Schulbuch hat es natürlich nur der kleinste Teil geschafft - nämlich die Bildung hochspezifischer Antikörper durch B-Zellen. Zugegeben, um Impfungen zu verstehen, gehört das zum Grundwissen.
Das Prinzip der Impfung hat sich seit ihrer Erfindung nicht wesentlich verändert, das Verständnis dessen, was nach einer Impfung im Körper eigentlich vor sich geht, jedoch ganz fundamental.Nun ist aber sogar dieser scheinbar so simple Prozess in Wirklichkeit etwas komplexer, als es das Schulbuch-Modell suggeriert. Es war nämlich lange Zeit nicht so recht klar, wie die eigentlichen Türsteher des menschlichen Körpers (gewebsständige Makrophagen, dendritische Zellen) mit den verschiedenen anderen Spielern im Immunsystem kommunizieren. Tatsache ist, dass B-Zellen nicht zu den zuerst aktivierten Zellen gehören. Antikörper tauchen immer erst einige Tage - manchmal erst Monate - nach den ersten Krankheitssymptomen auf. Besonders lange dauert es übrigens bei der viralen Hepatitis B und C. Viele der unspezifischen Anfangssymptome sind dabei nicht in erster Linie auf die Erreger zurückzuführen, sie sind vielmehr Folge der Aktivierung des Abwehrsystems. Beispiele hierfür sind Fieber und Entzündung. Beides weist auf die Anwesenheit unerwünschter Gäste hin.
Die Verspätung der Antikörperbildung ist übrigens genau der Grund, warum man impft: man möchte dem Erreger nicht gestatten, sich mindestens eine Woche ohne effektive Gegenwehr im menschlichen Körper breit zu machen, sondern einen Schritt voraus sein.Botenstoffe und Signalkaskaden
Die Krankheitssymptome werden durch Botenstoffe des innaten Immunsystems (manchmal auch unspezifisches oder angeborenes Immunsystem genannt) hervorgerufen. Zu ihnen gehören Interferone (IFN), die Zellen gegen virale Infekte wappnen und dabei aber ordentliches allgemeines Unwohlsein auslösen. TNF-alpha und diverse Interleukine (IL) sind weitere Botenstoffe, die unter anderem auch Fieber auslösen. Je nach Abwehrlage, individueller Veranlagung und Erreger werden andere Botenstoffe ausgeschüttet. Die Balance und Regulation der Botenstoffe ist Gegenstand der Forschung und würde diesen Artikel hier sprengen. Ziel des innaten Immunsystem ist es, die Ausbreitung der Erreger zu stoppen und das adaptive Immunsystem in die Lage zu versetzen, passende Antikörper zu bilden.
Lustigerweise führen eben die Krankheits-Symptome genau zur gewünschten Verhaltensweise: man fühlt sich dreckig, geht ins Bett, verbraucht keine Kalorien für unnützes Herumgehüpfe. So stehen für die Abwehr mehr Ressourcen zur Verfügung - mehr Herzleistung, mehr Kalorien, mehr Lungenvolumen. Drum liegt man dann mit Herzklopfen und tief schnaufend im Bett.
Im Laufe der Jahre wurden bei den Türsteher-Zellen verschiedene Signalkaskaden und Signaltransduktionswege entdeckt, die in erster Linie der schnellen Aktivierung des innaten Immunsystems dienen. Diese Wege werden nach ihren Hauptrezeptorklassen in Toll-like Rezeptoren (TLR), Scavenger-Rezeptoren und C-Typ-Lectin-Rezeptoren an der Zelloberfläche sowie NOD- und RIG-I-ähnliche Rezeptoren im Zellinneren unterteilt. Die Einteilung in intra- und extrazellulär ist nicht ganz klar, weil gerade einige TLR erst in den frühen Endosomen der Fresszellen aktiv werden.
Die Meinung von Herrn Dr. Seefeldt zu Squalen beruht auf der Annahme, B-Zellen könnten direkt und durch einen körpereigenen Stoff aktiviert werden.Die Rezeptoren aktivieren schließlich den Transkriptionsfaktor NFkappaB (nuclear factor kappa B), der seinerseits die Zellantwort auf Entzündungen reguliert. Zu diesen Zellantworten gehört die Produktion der oben genannten Botenstoffe. Außerdem werden auf den Immunzellen dann bestimmte Oberflächenproteine exprimiert, die als Andockstellen für die B- und T-Zellen dienen. Diese Andockstellen werden mittlerweile manchmal als "immunologische Synapse" bezeichnet und sind eines der spannendsten Forschungsgebiete der modernen Medizin, weil hier pharmakologisch eingegriffen werden kann. Der Name suggeriert zwar eine Nähe zu Nervenzellen, die immunologische Synapse hat aber mit der neurologischen nichts zu tun. Es ist eher eine Art Wortspiel für Immunologie-Geeks.
Aufmerksame Leser werden den Clou bemerkt haben: B-Zellen tun nichts, wenn sie nicht von anderen Zellen aktiviert werden. Die Meinung von Herrn Dr. Seefeldt zu Squalen beruht auf der Annahme, B-Zellen könnten direkt (und noch dazu durch einen körpereigenen Stoff) aktiviert werden. Die dazu vorhandene Literatur ist (bestenfalls) nicht eindeutig, nach gegenwärtigem Verständnis braucht man für eine echte B-Zell-Aktivierung mindestens dendritische Zellen und körperfremde Stoffe. Die physiologischen Aktivatoren von B- und T-Zellen sind Zellen des innaten Immunsystems und reagieren in erster Linie auf Proteine, mikrobiologische Zellwandbestandteile und DNA.
Die Funktion von Adjuvantien
Impft man nun einen Menschen mit attenuierten oder toten Erregern, handelt es sich um ein Gemisch aus diesen Stoffen. Daher sind diese konventionellen Impfstoffe immer ein Gemisch aus Strukturen, gegen die Antigene gebildet werden sollen (also meistens Oberflächenproteinen) und aus physiologischen Aktivatoren des Immunsystems. Dies ermöglicht eine ziemlich effektive Antikörperproduktion.
Seit einiger Zeit gibt es nun dank der Gentechnik eine Alternative zu toten (aber nicht immer besonders durchschlagenden) und attenuierten (und bei Immunsupprimierten gefährlichen) Impfstoffen. "Attenuiert" sind die Erreger meist nur für einen Gesunden, schwer kranke Menschen können auch von attenuierten Erregern krank werden.
Die Proteine, gegen die Antikörper gebildet werden sollen, werden gentechnisch hergestellt und dann aufgereinigt. Leider sind dann in der Impfdosis nur noch die Antigene enthalten, aber keine Aktivatoren des Immunsystems. Deswegen müssen diesen Impfstoffen Adjuvanzien zugegeben werden, die ihrerseits nur dazu dienen, das innate Immunsystem anzuwerfen und damit die B-Zellen zu aktivieren.
Ein Vorteil ist auch, dass man mit den gentechnisch hergestellten Impfstoffen immunsupprimierte Patienten einigermaßen gefahrlos impfen kann.Natürlich schmerzt der Arm dann, weil diese Adjutanten eine unspezifische lokale Reaktion hervorrufen - nämlich eine Entzündung. Und einige wenige Menschen werden auch etwas heftiger auf die Impfung reagieren. Einige schwer kranke Menschen sind nach einer Impfung gestorben; dass die Toten auf das Adjuvans zurückzuführen sind, halte ich für weit hergeholt: mit attenuierten Viren hätte man sie gar nicht impfen dürfen, und Totimpfstoffe hätten bei einem sowieso brachliegenden Immunsystem keine Wirkung gehabt. Die Menschen waren einfach schwer krank, eine Grippe hätten sie mit hoher Sicherheit auch nicht überlebt. Wenn man da vorher wüsste, wie es ausgeht, wär man nachher nicht der Dumme.
Der wichtigste derzeit verwendete Stoff ist Aluminium, das auf einen intrazellulären Komplex, das Inflammasom, wirkt. Das aktivierte Inflammasom aktiviert seinerseits die Protease Caspase-1, die Pro-Interleukin 1beta (ein Botenstoff, der in erster Line auf andere weiße Blutkörperchen wirkt) zu Interleukin-1beta umwandelt. Andere Adjuvanzien, die derzeit in Erprobung sind, aktivieren den TLR-Signalweg (z.B. Lipopolysaccharide). Ganz ungefährlich ist das nicht: LPS sind Bestandteil der Zellwand gramnegativer Bakterien, die allein durch die TLR-Aktivierung das Immunsystem so aus dem Gleichgewicht bringen können, dass der Körper in einen (septische... Read more »
Eisenbarth, S., Colegio, O., O’Connor, W., Sutterwala, F., & Flavell, R. (2008) Crucial role for the Nalp3 inflammasome in the immunostimulatory properties of aluminium adjuvants. Nature, 453(7198), 1122-1126. DOI: 10.1038/nature06939
- September 5, 2010
- 06:24 AM
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D-Aminosäuren lösen bakterielle Biofilme
Bakterielle Biofilme sind sind oft unerwünscht und verursachen Probleme. Richard Losick hat den natürlichen Mechanismus untersucht, der zur Auflösung von Biofilmen führt. Eine Rolle dabei spielen D-Aminosäuren. Kann dieses Wissen jetzt schon für Anwendungen genutzt werden?
Bakterien sekretieren Polysaccharide und Proteinfibrillen, die dafür sorgen, dass sich Biofilme aus Billionen Bakterien erst bilden. Ob an Schiffsrümpfen, in Kathederschläuchen oder auf Zähnen: Mit Bürsten, harschen Chemikalien und Autoklaven wird den Biofilmen zu Leibe gerückt um zumindest kurzzeitig eine Schlacht zu gewinnen. Viele Biofilme sind jedoch nicht für die Ewigkeit. Wenn die beteiligten Bakterien keine Nährstoffe mehr zur Verfügung haben oder sich Abfallprodukte akkumulieren, gehen die Bakterien wieder zu einer frei schwimmenden Lebensweise über, der Biofilm löst sich auf (Foto unten).
Wie funktioniert dieser natürlich vorhandene Mechanismus, der zum Auflösen von Biofilmen führt? Und kann er für industrielle, hygienische und medizinische Anwendungen ausgenutzt werden? Richard Losick hat im Eröffnungsvortrag des EMBO-Meetings gestern Abend gezeigt, wie Biofilme des Bakteriums Bacillus subtilis durch Zugabe von D-Aminosäuren effektiv aufgelöst werden. Im Foto oben ist links ein regulärer Biofilm des Bakteriums zu sehen, rechts der Biofilm nachdem etwas D-Tyrosin darauf verteilt wurde.
D-Aminosäuren werden regulär nicht in Proteine eingebaut, sie kommen aber als Bestandteil der Zellwand von Bakterien vor. Die Beobachtung, dass die Zellwand bei alternden Bakterienkulturen mit mehr D-Aminosäuren modifiziert werden, hat Losick auf die Idee gebracht, den Einfluss dieser durch Racemasen gebildeten Derivate der L-Aminosären auf Biofilme zu untersuchen. D-Tyrosin kann nicht nur Bacillus subtilis Biofilme auflösen, sondern auch verhindern, dass sich Biofilme des Bakteriums Staphylococcus aureus bilden.
S. aureus hat es zu trauriger Berühmtheit gebracht. Das Bakterium ist häufig die Ursache für Krankenhausinfektionen und sorgt für zahlreiche Todesfälle da es häufig gegen gängige Antibiotika resistent ist. Die häufigsten und hartnäckigsten Biofilme im Krankenhausumfeld werden von Pseudomonas aeruginosa gebildet. Wie die D-Aminosäuren auf die Biofilme dieses Bakteriums wirken, wurde von Losick nicht gezeigt.
Eine direkte Anwendbarkeit der D-Aminosäuren in Krankenhäusern scheint also noch nicht absehbar. Ich bin mir aber fast sicher, dass in Zukunft Zahnpasta und Mundwasser D-Aminosäuren enthalten werden - und sei es nur aus Gründen des Marketings. Vielleicht können ja Bootsrümpfe in Zukunft umweltschonender mit D-Tyrosin gereinigt werden.
Kolodkin-Gal I, Romero D, Cao S, Clardy J, Kolter R, & Losick R (2010). D-amino acids trigger biofilm disassembly. Science (New York, N.Y.), 328 (5978), 627-9 PMID: 20431016
Fotos: Losick/ Harvard Medical School
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Kolodkin-Gal I, Romero D, Cao S, Clardy J, Kolter R, & Losick R. (2010) D-amino acids trigger biofilm disassembly. Science (New York, N.Y.), 328(5978), 627-9. PMID: 20431016
- August 19, 2010
- 05:10 AM
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Proteine am Rande der Faltbarkeit
Was für ein PR-Stunt! Ich erzähle erst drei Blogposts lang was über Proteinfaltung und Chaperone, um dann dem geneigten Leser hier mein jüngstes Paper unterzujubeln. Evolution, kontroverse Forschungsergebnisse, bunte Abbildungen, Publikationsdrama, ein Vorhersagealgorithmus und ein Zitat aus einem Bibelforum. Alles in einem Blogpost.
In zweieinhalb Jahren bei ScienceBlogs habe ich erst ein Mal über meine eigene Forschung im Labor geschrieben. Daher der Disclaimer gleich vorneweg: Ich bin verantwortlicher Autor der Veröffentlichung über die ich hier blogge. Es geht um Chaperone und Evolution.
Um zu verstehen was wir im Juli in Bioinformatics publiziert haben macht es Sinn meine drei Vorbereitungsposts gelesen zu haben: Der erste über Proteinfaltung im Allgemeinen, der zweite über das Chaperon GroEL und der dritte über die Funktion des Chaperons Hsp90 als evolutionärer Puffer.
Womit wir auch direkt beim Thema der Publikation wären. Der Grundgedanke war: Wenn Chaperone eine evolutionäre Pufferfunktion haben, die sich auf Ebene des Phänotyps zeigt (siehe Fliegenmutanten im letzten Post), dann müsste dieser Puffereffekt doch ebenfalls auf genetischer Ebene festzustellen sein. Denn dort spielt sich ja die Evolution ab - in Form von Mutation und Selektion.
Zur Erinnerung: Die Pufferfunktion der Faltungshelfer besagt, dass Proteinen, die mit den Chaperonen interagieren eine gewisse Toleranz gegenüber ungünstigen Mutationen verliehen wird, da sie sich trotzdem noch richtig falten können. Wir haben diese Hypothese nun nicht - wie im letzen Artikel - mit dem Chaperon Hsp90 in Taufliegen untersucht, sondern mit dem Chaperon GroEL in E. coli, und zwar aus dem einfachen Grund: Die Proteine, die mit GroEL in E. coli interagieren sind schon identifiziert, es sind rund 250.
Unser Ansatz ist in Abbildung 1 hier links grafisch dargestellt. Wir haben die DNA-Sequenzen der E. coli Proteine mit den DNA Sequenzen der Proteine von anderen, eng verwandten Bakterien verglichen und gemessen, wie häufig durch Mutationen tatsächlich ein Aminosäureaustausch stattgefunden hat. Die Pufferhypothese würde nahelegen, dass Chaperonsubstrate im Vergleich zu anderen Proteinen der Zelle im Lauf der Zeit mehr Mutationen angehäuft haben.
Wir haben genau das Gegenteil gefunden.
Im Detail sah die Analyse so aus: Zuerst haben wir für jedes E. coli Protein das jeweils ähnlichste Protein in den verwandten Bakterien bestimmt. Für jedes dieser Paare haben wir eine Evolutionsrate berechnet. Der Mittelwert dieser Evolutionsraten für die 250 GroEL Substrate (rote Linie im Bild unten) liegt - statistisch signifikant - weit links außerhalb der Verteilung der Mittelwerte von 5000 Datensätzen mit jeweils 250 zufällig ausgewählten Proteinen (blaue Balken im Bild unten). Und links heißt hier: geringere Evolutionsrate, also weniger Aminosäureaustausche im Verhältnis zu anderen, stillen Mutationen. Unerwartet und reproduzierbar für mehrere Organismenpaare.
Hier die Erklärung des ganzen, falls Leser Asgard diesen Artikel - so wie mein letzten - in evolutionskritischen Bibelforen zitieren möchte. Die Reaktionen (neun Beiträge unter dem Link) sind überzeugend:
Asgard, ich ermahne dich im Herrn, die Geister zu prüfen, so wie es deine Aufgabe als Christ ist! Prüfe die Geister der Evolutions- und Urknalltheorie und tu das bitte im Gebet zu Gott. Er ist der einzige, der dir die Augen öffnen kann! Leider hat dir der Teufel die Augen mit Dreck vollgeschmiert, sodass du die Wahrheit nicht fassen kannst.
Chaperonsubstrate haben von vorne herein Probleme mit der Faltung (sonst müssten sie nicht mit Chaperonen interagieren). Sie verkraften trotz Chaperonbenutzung gerade keine zusätzlichen Mutationen, da ihre Faltungswege energetisch schon sehr ungünstig sind. Zur Veranschaulichung ist das grafisch in der dritten Abbildung unten dargestellt.
Chaperonunabhängige Proteine falten sich schnell und problemlos (blaue Kurve). Proteine die auf Chaperone angewiesen sind brauchen entweder recht lange (rote Kurve) oder oder laufen Gefahr falsch gefaltete Intermediate zu bilden (gestrichelte Kurve). Dadurch ist Zeit für die Interaktion mit dem Chaperon - weitere Mutationen würden aber eher diesen problematischen Proteinen schaden als jenen, die sich bislang problemlos und ohne Chaperone in ihre richtige Struktur falten. Die Pufferfunktion ist vorhanden, nur bei GroEL-Substraten in E. coli wird sie schon voll ausgenutzt.
Nebenbei haben wir noch andere Parameter gefunden, die GroEL-Substrate von anderen zellulären Proteinen in E. coli unterscheiden. Wir haben diese zu einem (nicht besonders guten) Vorhersagealgorithmus für die GroEL-Nutzung zusammengefasst. Wer mehr wissen will, sei an Bioninformatics verwiesen. Dort ist das Paper publiziert und leider nur kostenpflichtig erhältlich.
Es war ein Drama in mehreren Akten (sprich: Journals), das sich insgesamt über 15 Monate zog, um diese Daten zu publizieren, da sie ja auf den ersten Blick der recht etablierten Hypothese zur evolutionären Pufferfunktion zu widersprechen scheinen. Nächstes Mal gehts direkt zu PLoS One.
Raineri E, Ribeca P, Serrano L, & Maier T (2010). A more precise characterization of chaperonin substrates. Bioinformatics (Oxford, England), 26 (14), 1685-9 PMID: 20519287
Teil1: Das Problem der Proteinfaltung
Teil2: Sittenlose Luder werden von Anstandsdamen richtig erzogen
Teil3: Chaperone und Evolution - Stress bei Fruchtfliegen
Für mich wird es hier auf den ScienceBlogs in nächster Zeit wohl eine Blogpause geben (wenn ich nicht doch über die Antibiotikaresistenzen schreibe). Das hat zum einen berufliche Gründe - ich muss mehr Papers schreiben.
Zum anderen möchte ich wieder zu dem Zustand des Tolerierens durch ignorieren zurück, mit dem ich bislang den Artikeln meiner Mitblogger begegnet bin, wenn ich mit deren Inhalt nicht einverstanden war. Und das erfordert Abstand.
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Raineri E, Ribeca P, Serrano L, & Maier T. (2010) A more precise characterization of chaperonin substrates. Bioinformatics (Oxford, England), 26(14), 1685-9. PMID: 20519287
- November 1, 2010
- 05:10 AM
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1000 Genome sequenziert und immer noch nichts passiert
Acht Millionen neu entdeckte Unterschiede bei der Sequenzierung menschlicher Genome. 60 neue Mutationen von einer Generation zur nächsten. Drei unterschiedliche Sequenzierstrategien. Das 1000-Genomes-Konsortium hat eine Pilotstudie in Nature publiziert. Hier ein Überblick über die Ergebnisse und deren Bedeutung.Das Titelblatt der Zeitschrift Nature von letzter Woche zeigt einen stilisierten Erdball mit bunten Menschen darauf und einer den Äquator umspannenden Banderole: "A thousand genomes" steht da. Anlass ist die Publikation eines Pilotpapers (.pdf) des 1000 Genomes Konsortiums.
Die Idee hinter dem 1000 Genomes Konsortium ist, den Zusammenhang zwischen Genotyp - also den individuellen Unterschieden in der DNA Sequenz - und dem Phänotyp - also der messbaren Unterschiede zwischen Menschen - zu untersuchen. Das Ziel der präsentierten Studie war relativ seltene genetische Unterschiede zwischen Individuen zu identifizieren und zu kartieren; Unterschiede die mindestens bei 1% aller Menschen auftreten. Und das Konsortium war erfolgreich. Insgesamt kennt man nun rund 15 Millionen genetische Varianten. Das sind Punktmutationen, kleinere Insertionen und Deletionen sowie größere strukturelle Reorganisationen der DNA. Acht Millionen dieser Varianten wurden alleine in dieser neuen Studie entdeckt.
Die Ergebnisse dreier unterschiedlicher Sequenzierungsstrategien werden in der Veröffentlichung präsentiert: Zum einen wurde die DNA von 179 Menschen Menschen aus vier unterschiedlichen Populationen (Yoruba aus Nigeria, kaukasisch, Han-Chinesen und Japaner) jeweils 2-4 Mal sequenziert (low coverage). Zweitens wurden nur die Exons, also die proteinkodierenden Stücke von 906 zufällig ausgewählten Genen, von rund 700 Individuen aus sieben Populationen sequenziert; und zwar im Durchschnitt jeweils über 50 Mal. Schließlich wurden für den dritten Ansatz zwei Familien bestehend aus Vater, Mutter und Tochter aus Nigeria und Utah ausgewählt (Trio). Deren DNA wurde jeweils über 40 Mal komplett sequenziert.
Venn-Diagramme der bekannten und neu identifizierten Polymorphismen bei den drei Sequenzierungsstrategien. Die farbigen Kreise stehen jeweil für die Populationen. Abbildung aus der Publikation.
Warum sind verschiedene Sequenzierungsstrategien gewählt worden? Es sind wohl trotz ständig sinkender Preise hauptsächlich die Kosten für die eigentlichen Sequenzierreaktionen, die Datenauswertung und die Datenspeicherung, welche die Forscher zu einem doppelten Kompromiss zwingen. Um neue, seltene genetische Varianten zu finden, macht es natürlich Sinn, viele unterschiedliche Individuen komplett zu untersuchen. Andererseits sind Sequenzunterschiede in den sogenannten Exons, also den DNA-Stücken, die tatsächlich in mRNA transkribiert und in Proteine translatiert werden wahrscheinlichere Kandidaten für veränderte Phänotypen und somit interessanter. Sie werden daher bevorzugt sequenziert. Und die häufigen Wiederholungen der Sequenzierung der DNA der selben Personen ist notwendig, um für die Fehlerrate bei den Sequenzierungsreaktionen zu kompensieren. So kann also mit hoher Wahrscheinlichkeit ein tatsächlich auftretender genetischer Polymorphismus von einem einfachen, technischen Fehler unterschieden werden.
Die eigentliche Sequenzierung der jetzt publizierten Daten wurde übrigens bereits 2008 abgeschlossen. Nature geht davon aus, dass aktuell bereits 2700 Genome sequenziert sind - wenn auch noch nicht analysiert. Das Magazin sagt voraus, dass diese Zahl im Zuge der Zunahme der weltweit installierten Sequenzierungsgeräte bis in einem Jahr auf 30 000 Genome ansteigt. Neue Technologien, die eine noch höhere Parallelisierung, Genauigkeit und Geschwindigkeit der Sequenzierung erlauben sind bereits erfunden und entwickelt. Ein Ende der massenhaften Sequenzierung menschlicher Genome ist also nicht absehbar und die Preise werden weiter sinken. Das Zwischenziel ein menschliches Genom für unter 1000 Euro zu sequenzieren rückt in greifbare Nähe. Neben den Kosten, dem Aufwand der bioinformatischen Auswertung und der Aufgabe der dauerhaften Speicherung der generierten Datenmegen, ist die größte und komplizierteste Herausforderung vor allem das langfristige Ziel der funktionalen Annotation der gefundenen Polymorphismen.
Aktuelle (hellblau) und erwarte (violett) Anzahle sequenzierter menschliche Genome *500 in Europa. Grüne Säule: Aktuelle Anzahl der sich im Einsatz befindenden Deep-Sequencing Maschinen im akademischen Umfeld in Europa. Abbildung von hier
Die wohl entscheidende Frage ist jedoch: Wozu der ganze Aufwand? Nature geht in einem die Publikation begleitenden Dokument auf diese Frage ein und identifiziert drei Hauptgründe. Es geht um das Verstehen von Populationen, von Krankheiten, und von einzelnen Individuen. Hier nur stichwortartig, was das damit gemeint sein könnte: Die Sequenzierung der Familien ergab, dass pro Generation rund 60 neue genetische Variationen hinzukommen. Dies, sowie die gefundenen Unterschiede und Gemeinsamkeiten zwischen verschiedenen Ethnien erlauben Einblicke in die jüngere Evolution des Menschen. Weiter können genom-weite Assoziationsstudien Aufschluss darüber geben, welche Polymorphismen bei Krankheiten mit relativ hohem genetischen Anteil, wie beispielsweise Diabetes, Asthma oder Arthritis eine Rolle spielen. Die Sequenzierung von Krebsgenomen hilft bei der Identifikation und Bewertung der genetischen Risikofaktoren dieser komplexen Krankheit. Je mehr Genome sequenziert werden, desto wahrscheinlich wird es, einzelnen Polymorphismen, oder Kombinationen derselben, Risiken zu zuordnen - und eröffnet so die Möglichkeit rechtzeitig potentiell lebensverlängernde Maßnahmen zu ergreifen. Sei es beispielsweise die Umstellung der Ernährung, der Besuch regelmäßiger Krebs-Screenings oder die präventive Einnahme von Medikamenten.
Seine eigene DNA-Sequenz zu kennen wird also erschwinglich und kann durchaus Vorteile bieten. Dabei ist nicht einmal nötig, sein gesamtes Genom sequenzieren zu lassen. Kommerzielle Anbieter von DNA-Tests wie 23andMe, bieten schon jetzt für weit unter 1000 Euro die spezifische Sequenzierung bekannter Polymorphismen nebst deren Auswetung in graphisch ansprechender Form an. Vor allem der verantwortungsvolle Umgang mit personalisierten Genomdaten ist ein gesellschaftlich, medizinisch und juristische weitgehend ungeklärtes Problem. Wie sind diese Daten geschützt? Wer kann und darf diese Daten wie und wann nutzen? Das sind wichtige Fragen für eine öffentliche Debatte.
Durbin, R., Altshuler, D., et al. (2010). A map of human genome variation from population-scale sequencing Nature, 467 (7319), 1061-1073 DOI: 10.1038/nature09534
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Durbin, R., & Altshuler, D. (2010) A map of human genome variation from population-scale sequencing. Nature, 467(7319), 1061-1073. DOI: 10.1038/nature09534
- August 1, 2011
- 07:31 AM
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Alles was Sie schon immer über das Innenleben eines Bakteriums wissen wollten
Ich schreibe nicht nur hin und wieder Artikel bei ScienceBlogs, sondern publiziere auch meine Forschungsergebnisse in Wissenschaftsmagazinen. Hier die Vorstellung meines jüngsten, recht ausführlichen Papers: Quantification of mRNA and protein and integration with protein turnover in a bacterium.Die Art wie molekularbiologische Forschung betrieben wird unterliegt einem ständigen Wandel. Vor allem die Entwicklung neuer Analysemethoden zur Identifizierung und Quantifizierung von RNA und von Proteinen im großen Maßstab, deren kluge Anwendung auf biologische Fragestellungen und die bioinformatische Datenanalyse prägte in den letzten Jahren eine recht junge, sich dynamisch entwickelnde Wissenschaftsdisziplin - die Systembiologie.
Es ist schwierig eine allgemeingültige Definition der Systembiologie aufzustellen. Der Hinweis, dass diese sich mit der Analyse komplexer biologischer Systeme beschäftigt (und nicht etwa mit der systematischen Katalogisierung von Tieren und Pflanzen) soll hier reichen, da dieser kurze Exkurs letztlich nur einem Zweck dient: Der Einleitung zur Vorstellung meiner neuesten Publikation.
Das komplexe biologische System der Studie ist ein kompletter Organismus: Das Bakterium Mycoplasma pneumoniae mit minimalistischen 690 Genen. Es geht um grundsätzliche biologische Fragen: Welche Proteine sind wie oft in dem Bakterium vorhanden? Wie ist das sogenannte Proteom (also das gesamte Protein-Inventar) organisiert und wie ändert sich dessen Zusammensetzung unter unterschiedlichen Wachstums- und Stressbedingungen? Wie korrelieren die zellulären Proteinabundanzen mit der Menge der korrespondierenden mRNAs? Wie schnell werden unterschiedliche Proteine abgebaut? Wie können die gesammelten Daten genutzt werden, um die Regulation der Genexpression global in Bakterien zu verstehen?
Ganz grundsätzlich geht es darum, ein bislang relativ verschwommenes Bild von der genauen Zusammensetzung des inneren eines Modelorganismus sehr viel feiner zu zeichnen. Es ist das bislang detaillierteste Paper seiner Art.
Um eine (unvollständige) Analogie zu bemühen: Wenn Mycoplasma pneumoniae eine Kiste voller Legosteine wäre, wusste man bislang welche Legosteine in der Kiste sein könnten (die DNA Sequenz ist bekannt). Jetzt weiß man wie viele der jeweiligen Bausteine in der Kiste tatsächlich sind und kann daraus ableiten, wie die Steine zusammengesetzt gehören, um etwas größeres, ganzes zu formen. Außerdem weiß man jetzt, wie effizient neue Legosteine hergestellt werden und wie schnell diese kaputt gehen.
Die im Tetris-Stil gehaltene und hier eingebundene Abbildung (Abbildung 4a im Paper) zeigt zum Beispiel dass das Proteom von Mycoplasma pneumoniae zu einem großen Teil in Form von Proteinkomplexen organisiert ist. Die bekanntesten Proteinkomplexe sind durch die farbigen Klötze dargestellt. Fast sieben Prozent der Gesamtproteinmasse sind ribosomale Proteine. Die Menge variiert je nach dem, ob sich das Bakterium aktiv teilt oder das Wachsen bereits eingestellt hat.
Zehn Prozent der zellulären Proteinmasse ist in Form zweier Proteinkomplexe organisiert, die an der Glycolyse beteiligt sind. Fast fünf Prozent entfallen zusätzlich auf die Pyruvat-Dehydrogenase, die aus Pyruvat Acetyl-CoA herstellt. Insgesamt sind rund 20% der Proteinmasse an der Energiegewinnung der Zelle beteiligt. Diese Zahl ist erstaunlich hoch, ist aber durch die niedrige Effizienz der Energiegewinnung des Bakteriums erklärbar (M. pneumoniae hat keinen Zitronensäurezyklus und keine Atmungskette, generiert also ATP nur durch einfache Gärung mit Milchsäure und Essigsäure als Produkte, die in das umgebende Wachstumsmedium abgegeben werden).
Der rote und der orangene Klotz links unten stehen für zwei zelluläre Chaperone, die bei der Faltung neuer Proteine und bei deren Proteinreparatur eine Rolle spielen. Fast neun Prozent der Proteinmasse wird also dafür verwendet, dass die anderen 91 Prozent richtig funktionieren.
In der Zusammenfassung des Papers schmilzt dieser Teil auf den Satz "Protein abundances are regulated in functional units, such as complexes or pathways, and reflect cellular lifestyles" zusammen. Es ist also ein recht aufwändiges Manuskript geworden, das vor zwei Wochen in Molecular Systems Biology veröffentlicht wurde.
Das Paper ist open access publiziert, es kann also kostenlos gelesen und heruntergeladen werden. Derzeit ist es das am zweithäufigsten aufgerufene Paper bei Molecular Systems Biology, vielleicht kommen ja durch diesen Artikel noch ein paar Klicks dazu, und wir schaffen es auf Platz 1! Hier ist der Link zum Volltext und hier direkt zum pdf.
Maier, T., Schmidt, A., Güell, M., Kühner, S., Gavin, A., Aebersold, R., & Serrano, L. (2011). Quantification of mRNA and protein and integration with protein turnover in a bacterium Molecular Systems Biology, 7 DOI: 10.1038/msb.2011.38
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Maier, T., Schmidt, A., Güell, M., Kühner, S., Gavin, A., Aebersold, R., & Serrano, L. (2011) Quantification of mRNA and protein and integration with protein turnover in a bacterium. Molecular Systems Biology. DOI: 10.1038/msb.2011.38
- September 22, 2011
- 11:23 AM
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Proteopedia - 3D Strukturbiologie für alle
Wie wirkt Tamiflu gegen Grippe? Wie sieht ein fluoreszierendes Protein eigentlich aus? Die Proteopedia ist die Wikipedia der Strukturbiologen. In einer zentralen Datenbank hinterlegte Proteinstrukturen werden dort aufbereitet und mit Hilfe von 3D-Animationen und ausführlichen Erklärungen zugänglich gemacht. Nicht nur für Wissenschaftler, auch für Lehrende, Studenten und Leser, die sich einfach so für Wissenschaft interessieren geeignet.Die Aufklärung von Proteinstrukturen ist eine formidable Herausforderung für Wissenschaftler und ein ganzes Feld, die Strukturbiologie, beschäftigt sich auf die eine oder andere Art mit möglichst detaillierten dreidimensionalen Strukturen von Proteinen und für einige gab es schon Nobelpreise.
Röntgenstrukturanalyse von kristallisierten Proteinen, bestimmte mikroskopische Techniken sowie NMR-Spektroskopie werden hauptsächlich genutzt um Proteinstrukturen aufzuklären. Falls - wie aktuell geschehen - ein Crowdsourcing-Projekt wie FoldIt dabei helfen, Proteinstrukturen (anhand von Homologievergleichen) zu entschlüsseln, wird dies natürlich medienwirksam aufbereitet und Ergebnisse aus der Strukturbiologie schaffen es bis in Spiegel Online.
Tatsächlich sind bereits die Strukturen zehntausender Proteine gelöst und in der Protein Data Bank in Form von Koordinatentabellen der einzelnen Atome jeder Aminosäure hinterlegt. Zwar kann sich jeder zu Hause mit Hilfe einer geeigneten Visualisierungssoftware Proteinstrukturen anschauen, trotzdem ist die Protein Data Bank eher ein Poteinstrukturlager und weniger ein Portal um schnell an relevante Informationen zu einzelnen Proteinen, deren Struktur und Funktion zu kommen, oder einfach um die Schönheit der Proteinstrukturen zu bewundern.
Dafür gibt es die Proteopedia.
Wie wirkt das Grippemedikament Tamiflu? Bitteschön, Informationen und Animationen zur Bindung an die virale Neuramidase. Was am Ribosom is RNA, was Protein? Wo bindet die tRNA und die mRNA? Mit einem Klick direkt am Modell visualisierbar. Wie sieht das grün fluoreszierende Protein GFP aus? Wie funktioniert es und wie unterscheiden sich anders farbige Varianten? Wie sieht Hemoglobin aus, wie viele unterschiedliche Strukturen gibt es und welche Rolle spielt Hemoglobin noch mal bei der Atmung? Antworten biete die Proteopedia in Form von Text, vor allem aber mit Abbildungen und vielen 3D-Animationen.
Jede einzelne der rund 70 000 bei der PDB hinterlegten Proteinstrukturen hat eine eigene Seite auf Proteopedia und wie der Name schon sagt, ist das ganze ein Wikiprojekt, das beständig ausgebaut wird und auf die aktive Mithilfe von interessierten Wissenschaftlern angewiesen ist. Derzeit gibt es rund 1200 registrierte Benutzer, wer aktiv teilnehmen möchte, sollte sich zuerst die Videoguides anschauen. Inzwischen sind sogar einige Journals dazu übergegangen publizierten Strukturen eine Proteopediaseite mit interaktiven 3D-Animationen zur Seite zu stellen.
Die Proteopedia macht Strukturbiologie leicht zugänglich und vereint Struktur und Funktion der Proteine fast spielerisch. Die Seite bietet für Wissenschaftler, für Publikationsorgane, sowie für Lehrende, Studenten und einfach interessierte Laien einen Mehrwert. Der didaktische Anspruch der Proteopedia wird durch die sporadische Übersetzung der Artikel - beispielsweise auf hebräisch, arabisch oder chinesisch - unterstrichen. Die Seite existiert seit 2007 und wurde von der Gruppe um Joel Sussman am Weizmann Institut ins Leben gerufen. Proteopedia ist in einer freien Minute auf jeden Fall einen Besuch wert.
Prilusky, J., Hodis, E., Canner, D., Decatur, W., Oberholser, K., Martz, E., Berchanski, A., Harel, M., & Sussman, J. (2011). Proteopedia: A status report on the collaborative, 3D web-encyclopedia of proteins and other biomolecules Journal of Structural Biology, 175 (2), 244-252 DOI: 10.1016/j.jsb.2011.04.011
Bild oben: Vascular endothelial growth factor (Proteopedia)
Bild Mitte: Triosephosphatisomerase (TIM, Proteopedia)
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Prilusky, J., Hodis, E., Canner, D., Decatur, W., Oberholser, K., Martz, E., Berchanski, A., Harel, M., & Sussman, J. (2011) Proteopedia: A status report on the collaborative, 3D web-encyclopedia of proteins and other biomolecules. Journal of Structural Biology, 175(2), 244-252. DOI: 10.1016/j.jsb.2011.04.011
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