Proteomics: Techniques and Applications in Cancer Research

Zusammenfassung

Unter Proteomik versteht man heute die Anwendung von Hochdurchsatz-Technologien zur Identifikation der Proteinzusammensetzung eines definierten Systems. Der Arbeitsablauf in der Proteomik umfasst die Probenvorbereitung, Probentrennung, Quantifizierung und letztendlich die Identifizierung von Proteinen. Aufgrund der Komplexität verschiedener Proteinspezies und des großen dynamischen Bereiches, in denen diese vorkommen können, sind adäquate Untersuchungstechniken erforderlich. Eine dieser Techniken besteht darin, mit einem Standardverfahren - der 2-dimensionalen Gel-Elektrophorese (2-DE)- zunächst Proteine aus Zellextrakten anhand ihrer Ladung und ihres Molekulargewichts in einzelne Proteinspots zu trennen. Nach dieser Auftrennung können die Proteine in Peptide gespalten und isolierte Proteinkomponenten mit Hilfe von Laser-unterstützter Massenspektroskopie (MALDI-TOF) untersucht werden. Anhand des Masse/Ladungs-Verhältnis der einzelnen Peptidfragmente kann man durch einen Datenbankvergleich die Identität der Ausgangs-Proteine ermitteln. Der Einsatz der Proteomanalyse im Hinblick auf die Identifikation krankheitsassoziierter Moleküle oder von Expressionsmustern in unterschiedlichen Gewebetypen steht derzeit erst am Anfang, da die Standardisierung dieser Techniken eine große Herausforderung darstellt. Dennoch stellt die Proteomanalyse einen vielversprechenden Ansatz dar, ein holistisches Bild vom Zustand einer Zelle zu entwerfen. Verglichen mit Analysen auf RNA-Ebene, den so genannten Transkriptomstudien, ergeben sich folgende Vorteile: (1) nur mit Proteomanalysen können posttranslationale Modifikationen, wie z. B. Phosphorylierung von Proteinen, die am Zellzyklus oder Signaltransduktionswegen beteiligt sind, erkannt werden, (2) RNA-Mengen in einer Zelle korrespondieren nicht notwendigerweise mit den respektiven Proteinmengen, (3) Feedback-Mechanismen innerhalb komplexer Stoffwechselwege können die Proteinaktivität ohne erkennbare Veränderungen auf der DNA- oder RNA-Ebene beeinflussen.

Abstract

Proteomics can be defined as functional analysis of the full set of proteins by high-throughput technologies in a given system. The workflow of proteomics is a multi-step process comprising sample preparation, separation, quantification and identification of proteins. Due to the high complexity of different protein species and the wide dynamic range of protein amount within a cell system it is necessary to apply appropriate analysis methods. One approach is to separate proteins first by two-dimensional gel electrophoresis (2-DE) according to charge and molecular weight. Proteins are then fragmented and analyzed using matrix-assisted laser desorption ionisation time-of-flight mass spectrometry (MALDI-TOF MS). Identification of proteins can be achieved by comparing the mass/charge-ratios of these peptides to respective databases. Proteome analysis with respect to the identification of disease-associated patterns of molecules in different tissues is in the early stages, because standardisation of these techniques often remains to be established. However, proteome analyses is a promising tool to obtain holistic insights into the physiological status of a cell or cellular system. Compared to RNA-based studies some advantages are obvious: (1) post-translational modifications, e. g. phosphorylation, contributing to the activity status can be detected at the protein level only, (2) RNA-levels do not necessarily coincide with protein levels for a particular gene, (3) feedback-mechanisms within regulatory pathways can control protein activity without measurable changes in mRNA content.

Schlüsselwörter

Proteomik - 2-D-Gel-Elektrophorese - Massenspektroskopie - Krebsforschung

Key words

Proteomics - 2-D gel electrophoresis - mass spectrometry - cancer

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