Nervenheilkunde 2013; 32(06): 389-394
DOI: 10.1055/s-0038-1628512
Übersichtsartikel
Schattauer GmbH

Proteomforschung und molekulare Mechanismen bei Muskelanpassungen und Muskelerkrankungen

Proteomics research and the molecular mechanisms of muscle adaptations and muscular disorders
K. Ohlendieck
1   Muscle Biology Laboratory, Department of Biology, National University of Ireland, Maynooth
› Author Affiliations
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Publication History

eingegangen am: 14 January 2013

angenommen am: 16 January 2013

Publication Date:
24 January 2018 (online)

Zusammenfassung

Biomedizinische Untersuchungen mit global ausgerichteten Forschungsansätzen haben erhebliche Erfolge bei der Erforschung der physiologischen Muskelanpassung und der molekularen Pathogenese von Muskelerkrankungen erzielt. Die Proteomanalyse mittels 2D-Gelelektrophorese, Flüssigkeitschromatografie und Massenspektrometrie wurde gezielt für die Erforschung pathobiochemischer Veränderungen bei der zeitlichen Abfolge der Proteinexpression und der posttranslationalen Modifizierung eingesetzt sowie zur Bestimmung von abnormalen Wechselwirkungen zwischen Muskelproteinen. Die differenzielle Proteomanalyse wurde erfolgreich angewendet zum Vergleich der Expressionsprofile von gesundem menschlichem Muskelgewebe und Muskelbiopsien von Patienten mit Einschlusskörpermyositis, Adipositas, Diabetes mellitus und Sarkopenie. Die zelluläre Plastizität von Muskelfasern wurde bestimmt bei der Muskelanpassung an Ausdauertraining und an Hypoxie. Weiterhin haben Proteomstudien an Modellorganismen mit Muskelerkrankungen zur Identifizierung von potenziell veränderten Reaktionskaskaden bei bestimmten Formen der Muskeldystrophie, Myotonie, Muskelatrophie und der amyotrophen Lateralsklerose geführt.

Summary

Global biomedical approaches have recently succeeded in the elucidation of physiological muscle adaptations and the molecular pathogenesis of various muscular disorders. Proteomic analyses using 2D gel electrophoresis, liquid chromatography and mass spectrometry were employed for the determination of pathobiochemical changes in protein expression patterns and post-translational modifications, as well as for the identification of abnormal protein-protein interactions in muscle. Differential proteomics was successfully applied for the comparison of expression profiles of normal human muscle tissues versus biopsy material from patients afflicted with inclusion body myositis, diabetes, obesity and sarcopenia. The degree of muscle plasticity was determined during adaptations to endurance training and chronic hypoxia. In addition, the proteomic profiling of animal models of muscle diseases has identified potential alterations in pathways relevant for certain types of muscular dystrophy, myotonia, muscular atrophy and amyotrophic lateral sclerosis.

 
  • Literatur

  • 1 Megger DA, Meyer HE, Sitek B. Proteomanalysen in der klinischen Forschung. BIOspektrum 2011; 17 (07) 776-778.
  • 2 Lottspeich F. Proteomanalyse – ein Weg zur Funktionsanalyse von Proteinen. Angew Chem 1999; 111 (17) 2630-2647.
  • 3 Klose J. Proteomanalyse. BIOspektrum 2002; 08 (01) 91-94.
  • 4 Ohlendieck K. Skeletal muscle proteomics: current approaches, technical challenges and emerging techniques. Skeletal Muscle 2011; 01 (01) 6.
  • 5 Schmidt A, Picotti P, Aebersold R. Proteomanalyse und Systembiologie. BIOspektrum 2008; 14 (01) 44-46.
  • 6 Mikami T, Aoki M, Kimura T. The application of mass spectrometry to proteomics and metabolomics in biomarker discovery and drug development. Curr Mol Pharmacol 2012; 05 (02) 301-316.
  • 7 Lewis C, Doran P, Ohlendieck K. Proteomic analysis of dystrophic muscle. Methods Mol Biol 2012; 798: 357-369.
  • 8 Capitanio D, Vigano A, Ricci E, Cerretelli P, Wait R, Gelfi C. Comparison of protein expression in human deltoideus and vastus lateralis muscles using two-dimensional gel electrophoresis. Proteomics 2005; 05 (10) 2577-2586.
  • 9 Steinacker JM, Wang L, Lormes W, Reißnecker WS, Liu Y. Strukturanpassungen des Skelettmuskels auf Training. Dtsch Z Sportmed 2002; 53 (12) 355-360.
  • 10 Ohlendieck K. Proteomic profiling of skeletal muscle plasticity. Muscle Lig Tend J 2011; 01 (04) 118-125.
  • 11 Egan B, Dowling P, O’Connor PL, Henry M, Meleady P, Zierath JR, O’Gorman DJ. 2-D DIGE analysis of the mitochondrial proteome from human skeletal muscle reveals time course-dependent remodelling in response to 14 consecutive days of endurance exercise training. Proteomics 2011; 11 (08) 1413-1428.
  • 12 Holloway KV, O’Gorman M, Woods P, Morton JP, Evans L, Cable NT, Goldspink DF, Burniston JG. Proteomic investigation of changes in human vastus lateralis muscle in response to interval-exercise training. Proteomics 2009; 09 (22) 5155-5174.
  • 13 Viganò A, Ripamonti M, De Palma S, Capitanio D, Vasso M, Wait R, Lundby C, Cerretelli P, Gelfi C. Proteins modulation in human skeletal muscle in the early phase of adaptation to hypobaric hypoxia. Proteomics 2008; 08 (22) 4668-4679.
  • 14 Jordan B, Hanisch F, Zierz S. Myositiden. Nervenheilkunde 2011; 10: 776-786.
  • 15 Parker KC. et al. Fast twitch sarcomeric and glycolytic enzyme protein loss in inclusion body myositis. Muscle Nerve 2009; 39 (06) 739-753.
  • 16 Hittel DS, Hathout Y, Hoffman EP, Houmard JA. Proteome analysis of skeletal muscle from obese and morbidly obese women. Diabetes 2005; 54 (05) 1283-1288.
  • 17 Wilke T, Ahrendt P, Schwartz D, Linder R, Ahrens S, Verheyen F. Inzidenz und Prävalenz von Diabetes mellitus Typ 2 in Deutschland. Dtsch Med Wochenschr 2013; 138 (03) 69-75.
  • 18 Giebelstein J. et al. The proteomic signature of insulin-resistant human skeletal muscle reveals increased glycolytic and decreased mitochondrial enzymes. Diabetologia 2012; 55 (04) 1114-1127.
  • 19 Højlund K. et al. Human ATP synthase beta is phosphorylated at multiple sites and shows abnormal phosphorylation at specific sites in insulin-resistant muscle. Diabetologia 2010; 53 (03) 541-551.
  • 20 Münzer T. Sarkopenie im Alter – Konzept, Klinik und Intervention. Schweiz Med Forum 2010; 10 (10) 188-190.
  • 21 Gelfi C. et al. The human muscle proteome in aging. J Proteome Res 2006; Jun; 05 (06) 1344-1353.
  • 22 Staunton L, Zweyer M, Swandulla D, Ohlendieck K. Mass spectrometry-based proteomic analysis of middle-aged vs. aged vastus lateralis reveals increased levels of carbonic anhydrase isoform 3 in senescent human skeletal muscle. Int J Mol Med 2012; 30 (04) 723-733.
  • 23 Doran P, Gannon J, O’Connell K, Ohlendieck K. Proteomic profiling of animal models mimicking skeletal muscle disorders. Proteomics Clin Appl 2007; 01 (09) 1169-1184.
  • 24 Doran P, Wilton SD, Fletcher S, Ohlendieck K. Proteomic profiling of antisense-induced exon skipping reveals reversal of pathobiochemical abnormalities in dystrophic mdx diaphragm. Proteomics 2009; 09 (03) 671-685.
  • 25 Donoghue P. et al. Proteomic profiling of chronic low-frequency stimulated fast muscle. Proteomics 2007; 07 (18) 3417-3430.
  • 26 Staunton L, Jockusch H, Wiegand C, Albrecht T, Ohlendieck K. Identification of secondary effects of hyperexcitability by proteomic profiling of myotonic mouse muscle. Mol Biosyst 2011; 07 (08) 2480-2489.
  • 27 Staunton L, Jockusch H, Ohlendieck K. Proteomic analysis of muscle affected by motor neuron degeneration: the wobbler mouse model of amyotrophic lateral sclerosis. Biochem Biophys Res Commun 2011; 406 (04) 595-600.