Methodenoptimierung zur qualitativen und quantitativen Anwendung wenig spezifischer Proteasen in der Proteomforschung

  • Die Proteomforschung wurde die letzten beiden Dekaden maßgeblich durch die Massenspektrometrie geprägt und vorangetrieben. Ohne die Ionisationstechniken MALDI und ESI wäre die Analyse von Peptiden und Proteinen nicht in dem Maße möglich. Durch das Zusammenspiel zwischen Probenvorbereitung und effektiven Trennmethoden mit hochauflösenden Massenspektrometern und Auswertungssoftware können heute problemlos komplexe Proteinmischungen oder ganze Proteome untersucht werden. Um Proteine in Peptide zu schneiden, wird in den allermeisten Fällen die Protease Trypsin verwendet, deren Eigenschaften in vielerlei Hinsicht die bestmögliche Lösung für die nachfolgende Analyse mit Massenspektrometern bieten. Allerdings stößt die Anwendbarkeit dieses Enzyms bei der Analyse von einigen Proteinen oder Proteinklassen wie Membranproteinen an ihre Grenzen, da nur sehr wenige potentielle Schnittstellen vorhanden sind. In solchen Fällen wurden eine Reihe von weniger spezifischen Enzymen wie Chymotrypsin, Proteinase K oder Elastase in den vergangenen Jahren genutzt, die Proteine auch in für Trypsin weniger gut zugänglichen Bereichen wie Transmembranhelices, in massenspektrometrisch analysierbare Peptide spalten können. Allerdings stellen die wenig spezifischen Enzyme und die von ihnen generierten Peptide die Massenspektrometrie vor neue Herausforderungen. Für eine Identifizierung benötigen die Peptide eine sehr hohe Massengenauigkeit, daneben sind insbesondere bei der Verwendung von MALDI-Massenspektrometern neutrale und sehr saure Peptide schwerer ionisierbar und analysierbar als basische. Genügte es bis vor einigen Jahren, nur die Identität einzelner Proteine in komplexen Proben zu bestimmen, hat sich die Fragestellung mittlerweile einem Wandel unterzogen. Heute ist man daran interessiert, wie viel eines bestimmten Proteins vorliegt, besonders im Vergleich mit anderen, unterschiedlich behandelten Proben ist die Regulation von Proteinen von Interesse. Zum Quantifizieren stehen viele unterschiedliche Methoden zur Verfügung. Eine solche stellen die isobaren Derivatisierungsreagenzien TMT und iTRAQ dar, mit denen unterschiedliche Proben nach Peptidfragmentierung quantifiziert werden können. Fast alle Arbeiten zur Quantifizierung in der Vergangenheit benutzten Trypsin als Protease. Im Zuge dieser Arbeit sollten die Vorteile, die durch die Verwendung von Elastase bei der Identifizierung von Membranproteinen bereits gezeigt werden konnten, auf die Quantifizierung mit TMT erweitert werden.Wurde in der Vergangenheit noch in manchen Publikationen davon abgeraten, Elastase zu verwenden,weil die Nutzbarkeit der dabei gebildeten komplexen Peptidmischungen in Frage gestellt wurde, konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass Elastase wie auch Trypsin sich eignen, als Enzym für Quantifizierungsexperimente verwendet zu werden. Dies wurde an Modellproteinen evaluiert und dann auf komplexe Membranproben von Hefezellen erweitert. Bei Vorexperimenten zur Derivatisierung mit TMT wurde desweiteren festgestellt, dass Peptidklassen, die zuvor nur mit ESI als Ionisationsmethode identifiziert werden konnten, durch die Derivatisierung nun auch mit MALDI zugänglich waren. Die dadurch analysierten kleinen, hydrophoben und sehr sauren Peptide lieferten bei der Kombination mit der underivatisierten Probe einen deutlichen Zugewinn in der Sequenzabdeckung der identifizierten Proteine. Ein weiterer Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der nachträglichen Korrektur von gemessenen Peptidmassen über selbst geschriebene Softwarelösungen für verschiedene Massenspektrometer. Es wurde das Ziel verfolgt, eine möglichst hohe Massengenauigkeit und damit hohe Anzahl an Identifizierungen von Proteinen nach Verdau mit wenig spezifischen Proteasen zu erreichen. Weitere Computerprogramme wurden mit dem Ziel geschrieben, den Arbeitsablauf zu erleichtern und zu verbessern. Für die früher schon beschriebene Kombination zweier Massenspektrometer mit hoher Massengenauigkeit und Auflösung auf der einen Seite und effizienter Peptidfragmentierung auf der anderen Seite konnte durch Veränderung der Instrumentierung und Software nun eine Automatisierbarkeit geschaffen werden, die es ermöglicht, die Methode standardmäßig bei Routineanalysen zu verwenden. So ergeben sich viele neue Möglichkeiten neben den oft gewählten Standardprotokollen mit der Analyse tryptischer Verdauansätze mittels LC-ESI-MS/MS, die häufig nur der Einfachheit halber und ohne Anpassung an die eigene Zielsetzung gewählt werden. Die Arbeit zeigt aber auch auf, dass die Verwendung weniger spezifischer Enzyme sowohl eine Optimierung des Arbeitsablaufs als auch eine Datenauswertung benötigt, die die Besonderheiten der Proteasen berücksichtigt. Wenn dies gewährleistet wird, kann vor allem mit dem Zugewinn durch die Derivatisierung mit TMT eine wertvolle Alternative zu Trypsin genutzt werden.

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Metadaten
Author:Dominic Bäumlisberger
URN:urn:nbn:de:hebis:30:3-331728
Publisher:Univ.-Bibliothek
Place of publication:Frankfurt am Main
Referee:Michael Karas, Manfred Schubert-ZsilaveczGND
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2014/02/27
Year of first Publication:2013
Publishing Institution:Universitätsbibliothek Johann Christian Senckenberg
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Universität
Date of final exam:2013/08/29
Release Date:2014/02/27
Page Number:179
Note:
Diese Dissertation steht außerhalb der Universitätsbibliothek leider (aus urheberrechtlichen Gründen) nicht im Volltext zur Verfügung, die CD-ROM kann (auch über Fernleihe) bei der UB Frankfurt am Main ausgeliehen werden.
HeBIS-PPN:363865470
Institutes:Biochemie, Chemie und Pharmazie / Pharmazie
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie
Sammlungen:Universitätspublikationen
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