Interaktom
von Harald Zähringer (Laborjournal-Ausgabe 01, 2001)
Auf Genom, Transkriptom und Proteom folgt das Interaktom: die Summe der Protein-Protein-Wechselwirkungen innerhalb einer Zelle. Vielen vitalen Prozessen der Zelle wie Proteinfaltungen, Proteintransport, Export oder Import, aber auch regulatorischen, strukturbildenden oder enzymatischen Reaktionen liegen transiente oder auch anhaltende Protein-Protein Interaktionen zugrunde. In Pro- wie auch in Eukaryoten kennt man nur für einzelne ausgesuchte Proteine oder Proteinfamilien Interaktionspartner, die zumeist durch Coimmunopräzipitationen oder Yeast-Two Hybrid-Analysen gefunden wurden. Nahezu unbekannt, selbst in einfachen Organismen wie der Bäckerhefe mit ihrem vergleichsweise kleinen Proteom, ist aber das Netzwerk sämtlicher Protein-Protein-Wechselwirkungen.
Wieviele potentielle Bindepartner hat Protein X eines beliebigen Proteoms? Mit welcher Domäne nimmt es in welchem Stadium des Zellgeschehens Kontakt zu welchen anderen Proteinen auf? Antworten auf diese Fragen sollen Protein-Interaktions-Karten geben, die das vollständige Protein-Protein Wechselwirkungsnetzwerk abbilden. Wurden die Wechselwirkungen bisher innerhalb überschaubarer Proteinfamilien, etwa Regulatoren des Zellzyklusses in Drosophila oder Proteinen des Spleißapparates der Hefe, analysiert, wagen sich jetzt vermehrt Arbeitsgruppen an die Aufklärung vollständiger Interaktome. So haben sich Takashi Ito et al. (PNAS 97, S. 1143) die Bäckerhefe vorgenommen und in einem umfassenden Two Hybrid-Screen die Interaktionen der mehr als 6000 Hefeproteine untersucht. Die Forscher des Tokioter Human Genome Centers amplifizierten sämtliche offenen Leserahmen des Hefegenoms und klonierten diese sowohl in Köderplasmide ("Bait") als auch in Fischplasmide ("Prey") des Two Hybrid-Systems.
Nach der Transformation der Hefen fusionierte die Gruppe systematisch Bait- mit Prey-Transformanden um in der ersten Phase ihres Hefe-Interaktionsprojektes annähernd 4 Mio. Kombinationen-, also etwa 10% der theoretisch möglichen, zu untersuchen. Falsch positive Reportersignale sortierten die Wissenschaftler aus, sodass 183 Two Hybridinteraktionen verblieben, von denen einige in lokale Proteinnetzwerke mit mehr als vier interagierenden Proteinen eingeordnet wurden. Eine erste detaillierte Interaktionskarte von Proteinen, deren Two Hybrid-Wechselwirkungen tatsächlich biologische Relevanz haben könnten, arbeiteten Ito und Co. für eine Handvoll Proteine des vesikulären Transportes aus.
Mit Köder fängt man Beute
Obwohl diese Studie nur einen kleinen Bruchteil wechselwirkender Proteine in einen funktionalen Zusammenhang bringt, beleuchten sie bereits das Potenzial von Protein-Interaktionskarten: Rasch erhält man einen Entwurf des Proteinnetzwerks, das, durch Informationen aus Proteindatenbanken und mit experimentellen Daten ergänzt, biologisch sinnvolle Aussagen über das Zusammenspiel von Proteinen zulässt.
In einem weiteren Pilotprojekt widmeten sich Jean-Christophe Rain et al. (Nature 409, S.21 1) den Protein-Interaktionen in dem pathogenen Magenbakterium Helicobacter pylori. Die Pariser screenten 261 von knapp 1.600 Helicobacter-Proteinen mit dem Two Hybrid-System gegen eine Helicobacter-Prey-Bibliothek. Da diese neben Proteinen mit voller Länge auch verkürzte Proteine enthielt, konnten sie zudem auf interagierende Proteindomänen rückschließen. Imposant liest sich die Statistik dieses Projektes: 285 Screens, 5.6 Milliarden Bait-Prey-Kombinationen, ein Bait-Protein wurde auf 20 Mio. Prey-Polypeptide angesetzt. Die Forscher bemühten statistische Modelle und Computerprogramme um dieser Datenflut Herr zu werden, und konnten so biologisch sinnvolle von irrelevanten Interaktionen unterscheiden. Quintessenz der Datenanalyse: 1200 Protein-Protein Wechselwirkungen wurden gefunden - das heißt, knapp 50% der Proteine des Helicobacter Proteoms sind funktional verknüpft. Erstaunlich gut schneiden die gefundenen Protein-Interaktionen im Vergleich mit experimentiell dokumentierten ab. Bemerkenswert ist auch, dass die aus dem Two Hybrid System abgeleiteten Interaktionsdaten für orthologe Proteine aus E. coli gut mit expeiimentellen übereinstimmen. Die Autoren sind daher guter Dinge, dass Protein-Interaktionskarten auch zur Klärung weitergehender Fragen der Proteinanalyse, etwa Funktionsvorhersagen, beitragen können.
Beide Gruppen sind überzeugt, dass ihre Systeme auch zur Interaktionsanalyse komplexerer Organismen mit größeren Proteomen anwendbar sind. Für das humane Interaktom rechnen Ito et al. daher schon einmal vor: Von den geschätzten 100.000 Genen des Menschen werden vielleicht nur 30.000 in einzelnen Zellen oder Geweben exprimiert, also ist die Anzahl der Bait-Prey Kombinationen nur 25mal größer als in der Hefe.
Die Erstellung eines vollständigen humanen Interaktoms erscheint also - zumal, bei der rasanten Entwicklung von Laborrobotern und Sequenziermaschinen absehbar.
