Die Sprache der Zellen entschlüsseln mit Hilfe der Proteomik

Vor Hunderten von Millionen Jahren schlossen sich einzelne Zellen zu mehrzelligen Organismen zusammen. Grundlage dieser vielzelligen Welt ist die Zelloberfläche: die Plasmamembran, die jede Zelle umgibt. Hier treffen sich die einzelnen Einheiten und kommunizieren miteinander, indem sie eine Sprache aus Molekülen und Proteinen verwenden.

Für Biologen ist die Fähigkeit, die an der Oberfläche stattfindende Zellkommunikation zu entschlüsseln – die vorhandenen Proteine, ihre Interaktion und ihre Veränderungen – der Schlüssel zum Verständnis der Funktionsweise eines Organismus und letztlich der Entstehung von Krankheiten.

Jetzt entwickeln Forscher am Janelia Research Campus des HHMI, der Stanford University und dem Broad Institute benutzerfreundliche Tools, die Wissenschaftlern dabei helfen sollen, diese zelluläre Kommunikation zu interpretieren und neue Details darüber aufzudecken, wie Zellen Informationen austauschen.

„Wenn man sich den Körper als eine Gesellschaft von Zellen vorstellt, dann wollen wir eigentlich versuchen, die Sprache dieser Gesellschaft zu entschlüsseln und herauszufinden, wie die Zellen miteinander kommunizieren“, sagt Jiefu Li, Gruppenleiter bei Janelia und leitender Autor dreier neuer Publikationen. „Wir wollen Methoden entwickeln, um diese Sprache zu verstehen und sie Schritt für Schritt zu nutzen, um sie zu entschlüsseln.“

Die neue Forschung gibt den Wissenschaftlern nicht nur neue Einblicke in die zelluläre Kommunikation, sondern demonstriert auch das Potenzial der Proteomik – der Lehre aller Proteine ​​in lebenden Zellen und Organismen –, die grundlegenden Spracheinheiten der Zelle zu lesen und einige der größten Rätsel der Biologie zu lösen.

„Wir begannen mit der Entwicklung von Werkzeugen für die Proteomik und setzten diese Werkzeuge dann für bestimmte biologische Fragen ein, um Entdeckungen zu machen und auch die Leistungsfähigkeit der Proteomik zu demonstrieren“, sagt Li. „Wir zeigen, dass die Proteomik auf viele biologische Fragen angewendet werden kann: von der Neurowissenschaft bis zur Immunologie und von Fliegen bis zum Menschen.“

Die Sprache der Zellen lernen

Während seines Doktoranden- und Postdoc-Studiums in Stanford begann Li mit der Entwicklung von Methoden und Werkzeugen zur Untersuchung von Proteinen an der Zelloberfläche. Biologen auf der ganzen Welt begannen, diese Methoden zu nutzen, doch viele dieser Forscher wandten sich mit demselben Problem an Li und seine Kollegen: Ohne Hintergrundwissen in chemischer Biologie oder Proteomik hatten sie Schwierigkeiten, die von ihnen generierten Daten zu interpretieren.

Als Li 2022 als Gruppenleiter zu Janelia kam, machte er sich daran, das Problem zu lösen. Er arbeitete mit dem Scientific Computing Software-Team zusammen, um Peelingeiner benutzerfreundlichen Plattform, die es Forschern weltweit ermöglicht, räumliche Proteomikdaten per Mausklick zu analysieren.

Laut Li wäre die Entwicklung von PEELing nur bei Janelia möglich gewesen, wo Biologen problemlos mit Informatikern zusammenarbeiten können, um Tools zu entwickeln, die der gesamten wissenschaftlichen Gemeinschaft zugute kommen.

„Das Hauptziel ist, Menschen ohne chemisch-biologischen Hintergrund oder proteomischem Hintergrund zu helfen, unsere Methode zu nutzen und sie in diese Methodik einzuführen“, sagt Li. „Wir müssen diesen ersten Schritt einfach und robust gestalten, denn die Menschen wollen sich auf ihre biologischen Entdeckungen konzentrieren, anstatt sich mit all den technischen Details auseinanderzusetzen.“

Signale entschlüsseln

Li und seine Kollegen verwenden einige dieser Methoden und Werkzeuge auch, um mehr darüber zu erfahren, wie die Kommunikation innerhalb und außerhalb der Zelloberfläche stattfindet.

In einem aktuelles Papier veröffentlicht in ZelleLi und Forscher von Stanford und dem Broad Institute untersuchten die Signalübertragung, die in Neuronen nach der Aktivierung von Teneurin stattfindet, einem Protein, das die Zellmembran durchdringt und Axone mit Dendriten verbindet, um im sich entwickelnden Gehirn Synapsen zu bilden. Wissenschaftler wussten, dass Teneurin für diese synaptische Verbindung verantwortlich ist, aber sie wussten nicht, was in der Zelle passiert, nachdem das passende Signal freigegeben wurde.

Die Forscher nutzten zunächst die Näherungsmarkierung, um die Moleküle zu erfassen, die innerhalb der Zelle mit Teneurin interagieren. Anschließend nutzten sie die Proteomik, um diese Proteine ​​zu identifizieren und einzugrenzen, welche möglicherweise an dem Prozess beteiligt waren. Anschließend nutzte das Team genetische Methoden, um zu verstehen, wie diese Kandidatenproteine ​​mit Tenurin interagierten. So konnten die Forscher die Signalpartner bestimmen und die zellulären und molekularen Mechanismen hinter der synaptischen Partnerzusammenführung aufklären.

In einem anderen aktuelle Studie Erscheint in Das Journal der ImmunologieLi und Forscher in Stanford und am Broad Institute verwendeten Zelloberflächenproteomik, um menschliche dendritische Zellen zu untersuchen, die das angeborene und adaptive Immunsystem über ihre Zelloberflächenproteine ​​koordinieren. Um diese Koordination besser zu verstehen, untersuchte das Team, wie sich die Zelloberfläche verändert, wenn dendritische Zellen aktiviert werden.

Die Forscher aktivierten die dendritischen Zellen und markierten, erfassten und quantifizierten dann die Proteine ​​an der Zelloberfläche. Anschließend ordneten sie diese Proteine ​​ihren bekannten Funktionen zu und verglichen die in aktivierten und ruhenden dendritischen Zellen vorhandenen Proteine. Durch diese Charakterisierung entdeckten die Forscher, wie die Zelle die Aktivität von Dutzenden von Proteinen moduliert, um die Immunantwort zu regulieren.

„Insgesamt führt uns all diese Arbeit zurück zu unserem zentralen Ziel im Labor, die Zelloberfläche zu entschlüsseln“, sagt Li. „Die Proteomik kann eine umfassende Systemansicht und wirklich informative Hinweise für nachfolgende mechanistische Studien liefern.“