Erich Wanker und Philipp Trepte

Speed-Dating für Proteine

Es stimmt schon, vieles, was man so über Proteine hört, trifft zu: Sie neigen zu häufigem Partnerwechsel und haben Schwierigkeiten damit, langfristige Bindungen einzugehen. In einem Experiment oder Modellversuch können zwei Moleküle miteinander flirten und äußerlich wie ein Paar wirken, aber besteht zwischen ihnen tatsächlich eine enge und direkte Interaktion?

Am MDC ist Prof. Erich Wanker der richtige Ansprechpartner für alle, die mehr über Beziehungen zwischen Proteinen wissen möchten. Sein Labor analysiert die Interaktionen zwischen diesen Molekülen und bedient sich dabei einer beeindruckenden Palette von Hochdurchsatztechnologien, mit denen sozusagen Speed-Dating auf Molekülebene machbar wird. Zehntausende Moleküle können rasch mit ebenso vielen potenziellen Partnern abgeglichen werden. Die Protein-Protein-Bindung ist das Herzstück aller Zellprozesse; neue Verbindungen ausfindig zu machen und direkte Interaktionen zu demonstrieren, liefert entscheidende Nachweise bei der Ermittlung molekularer Funktionen.

Erich Wanker und Doktorand Philipp Trepte vor dem Pipettierroboter für DULIP assays. Foto: AG Wanker, MDC

Die von der Arbeitsgruppe um Wanker gegründete „Interaktom“-Plattform verwendet hauptsächlich zwei Verfahren: Das erste beruht auf dem „klassischen“ System namens Yeast-Two-Hybrid (Y2H), das vor rund 25 Jahren entwickelt wurde. Hier werden Hefezellen verwendet, die Köderproteine enthalten – Bindungsdomänen von Proteinen, die an einem Reportersystem fixiert wurden. Der Köder wird in einen Hefestamm eingebracht, zusammen mit einem Beuteprotein, das ein potenzieller Bindungspartner ist; geschieht dies, wechselt die jeweilige Zelle die Farbe und wird so erkennbar. Durch die Interaktion können die Zellen auf einem bestimmten Medium wachsen.

„Dies ist ein sehr schnelles, effizientes Verfahren, mit dem sich ganze Netzwerke von Protein-Protein-Interaktionen auswerten und auch spezifischere Fragen zu kleineren Netzwerken beantworten lassen“, erklärt Wanker. „Es ist relativ kostengünstig, und das gesamte System ist automatisiert und auf hohen Durchsatz ausgelegt.“

Die Plattform bietet zusätzlich zwei Steigerungen des herkömmlichen Y2H-Systems: MYTH, mit dessen Hilfe sich Proteine erforschen lassen, die an Membrane oder Moleküle binden, die mit Membranen interagieren, und CytoY2H, das Interaktionen zwischen Proteinen entdeckt, die bei der Transkription aktiv sind. Laut Wanker sind diese Methoden noch nicht einsatzreif zur Erforschung von Protein-Protein-Interaktionen unter Hochdurchsatz-Bedingungen, erlauben aber einen genaueren Blick auf einen Aspekt von Molekülen, der sich bislang schwer beobachten ließ.

Das Labor hat eine weitere Technologie namens DULIP-Assay (dual luminescence-based co-immunoprecipitation) entwickelt, die auf ähnlichen Grundsätzen beruht, aber in Säugetierzellen verwendet werden kann, um deren Interaktome aufzuzeichnen. Mithilfe von Innovationen, die Wankers Forschungsgruppe im Bereich der Robotik entwickelte, konnte der Assay in ein Hochdurchsatzverfahren verwandelt werden, das gegenüber herkömmlichen Nachweismethoden wie Ko-Immunpräzipitation und Western Blot mit Vorteilen bei Geschwindigkeit und Empfindlichkeit punktet. „So können wir jeden Schritt des Screenings genau kontrollieren“, erläutert Wanker. „Die Ergebnisse sind viel besser als bei den klassischen Nachweisverfahren; wir können Interaktionen beziffern und auch die Auswirkungen von Punktmutationen auf Affinitäten beurteilen.“

Jahrelang nutzte Wankers Labor die Geräte hauptsächlich zur Aufzeichnung der Protein-Interaktionen, die für Prozesse und Pathologien rund um Neuronen verantwortlich sind. Diese Arbeit hat dazu beigetragen, einige der Netzwerke von Molekülen zu entschlüsseln, welche die Entstehung der Huntington-Krankheit begünstigen, außerdem das Verhalten der faserförmigen Amyloid-Ablagerungen bei Alzheimer sowie andere neurodegenerative Erkrankungen. Defekte in einzelnen Molekülen können zwar pathologische Prozesse auslösen, am vollständigen Ausbruch der Krankheiten sind jedoch in der Regel viele weitere Proteine beteiligt. Die Klärung der Interaktionen zwischen diesen Proteinen half Wanker und seinen Kollegen, Schwachpunkte in den Strukturen von Fasern und Aggregationen zu ermitteln, die gute Zielscheiben für Hemmstoffe abgeben.

Seinen Lösungsansatz für diese Probleme nennt Wanker „Neuroproteomik“. Die von seiner Forschungsgruppe entwickelten Technologie-Plattformen spielen hier eine zentrale Rolle. Vor einigen Jahren führte das Interesse anderer Forschungsgruppen dazu, dass das MDC die Technologie unter dem Namen „Interaktom“ als zentrale Forschungsinfrastruktur förderte.