Protein-Protein-Interaktionen

Proteine erleichtern die meisten biologischen Prozesse in einer Zelle. Dazu gehören Genexpression, Zellwachstum, Proliferation, Aufnahme von Nährstoffen, Morphologie, Motilität, interzelluläre Kommunikation und Apoptose.

Die Proteinexpression ist ein dynamischer Prozess, der auf verschiedene Reize reagiert. Bestimmte Proteine werden für bestimmte Aufgaben nicht immer exprimiert oder aktiviert. Auch die Proteinexpression der Zellen variiert, was die Untersuchung der Proteinfunktion im entsprechenden biologischen Kontext erschweren kann. Durch sorgfältige Untersuchung und Analyse können diese Herausforderungen jedoch überwunden werden.

Vor den späten 1990er Jahren konzentrierten sich die Proteinfunktionsanalysen primär auf einzelne Proteine. Da die meisten Proteine jedoch mit anderen Proteinen interagieren müssen, um zu funktionieren, sollten sie im Kontext ihrer interagierenden Partner untersucht werden. Seit der Veröffentlichung des menschlichen Genoms und der Entwicklung der Proteomik ist es unerlässlich, die Proteininteraktionen zu verstehen und biologische Netzwerke zu identifizieren, um ihre Funktion in der Zelle zu verstehen.

Zu den wichtigen Arten von Proteininteraktionen gehören:

• Protein-Ligand-Interaktionen
• Protein-DNA-Interaktionen
• Protein-Protein-Interaktionen (PPI)

Bei Protein-Protein-Interaktionen interagieren Proteine miteinander, um bestimmte Funktionen in Zellen zu erfüllen.

Da fast alle biologischen Prozesse eine oder mehrere PPI umfassen, hilft uns deren Untersuchung dabei, die Interaktionen zwischen molekularen Mechanismen innerhalb dieser Prozesse zu verstehen, einschließlich: 

Zellsignalisierung

Viele biologische Prozesse, wie Zellwachstum, Differenzierung und Apoptose, werden von komplexen Signalnetzwerken mit Protein-Protein-Interaktionen reguliert. Durch die Untersuchung dieser Wechselwirkungen können Forscher die Signalwege nachvollziehen, die an Krankheiten wie Krebs beteiligt sind, und gezielte Therapien entwickeln, die diese Signalwege stören oder modulieren.

Enzymatische Aktivität

Enzyme funktionieren oft in Komplexen mit anderen Proteinen, wobei Protein-Protein-Interaktionen für die katalytische Aktivität von entscheidender Bedeutung sind. Die Analyse dieser Interaktionen kann aufschlussreiche Erkenntnisse über die Enzymregulierung, Substratspezifität und Stoffwechselwege bieten und so zur Arzneimittelforschung und zum Metabolic Engineering beitragen.

Genregulation

Transkriptionsfaktoren und regulative Proteine bilden häufig Komplexe zur Kontrolle der Genexpression. Durch die Untersuchung von Protein-Protein-Interaktionen, die an der Genregulation beteiligt sind, können wichtige Akteure in der Transkriptionskontrolle identifiziert und Einblicke in Krankheiten geliefert werden, die mit einer dysregulierten Genexpression verbunden sind, wie Diabetes und neurodegenerative Erkrankungen.

Proteintransport und -lokalisierung

Proteine-Protein-Interaktionen regeln den intrazellulären Transport und die Lokalisierung von Proteinen innerhalb von Zellen. Durch die Entschlüsselung dieser Interaktionen können Forscher die Mechanismen aufdecken, die dem Organellen-Targeting, dem Vesikeltransport und der Proteinsortierung zugrunde liegen, die für die Zellhomöostase und -funktion entscheidend sind.

Strukturbiologie

Protein-Protein-Interaktionen tragen zur Zusammensetzung makromolekularer Komplexe mit spezifischen Architekturen und Funktionen bei. Mithilfe von Verfahren wie Röntgenkristallographie und Kryoelektronenmikroskopie können die Strukturen dieser Komplexe bestimmt werden. Diese Analysen liefern Einblicke auf atomarer Ebene in ihre Wirkmechanismen und unterstützen das rationale Wirkstoffdesign.

Krankheitsmechanismen

Fehlerhafte Protein-Protein-Interaktionen spielen eine wichtige Rolle bei der Entstehung verschiedener Krankheiten, einschließlich neurodegenerativer Erkrankungen, Autoimmunerkrankungen und Infektionen. Durch die Untersuchung dieser Interaktionen können Forscher potenzielle therapeutische Ziele identifizieren und Medikamente entwickeln, die schädliche Interaktionen stören oder vorteilhafte Interaktionen stabilisieren.

Protein-Protein-Interaktionen können mit verschiedenen experimentellen Techniken untersucht werden, von denen jede einzigartige Vorteile und Einschränkungen mit sich bringt. Die Erkenntnisse, die diese Studien liefern, hängen von der ausgewählten Analysemethode ab. 

Zu den am weitesten verbreiteten PPI-Analysemethoden gehören u. a.:

In mehreren Studien wurden Malvern Panalytical-Geräte zur Analyse von Protein-Protein-Interaktionen (PPI) verwendet. Hier einige Beispiele: 

Pflanzenmembranrezeptorkinasen

Mithilfe von Gitter-gekoppelter Interferometrie (GCI) und dem WAVEsystem wurden die Bindung zwischen mehreren Pflanzenrezeptoren und ihren Liganden sowie die Rolle eines Korezeptors (SERK3) untersucht. Wenn die einzelnen Rezeptoren stark verschiedene Bindungsaffinitäten für ihre jeweiligen Liganden aufweisen, verbindet sich die SERK3-Ektodomäne mit den Liganden-assoziierten Rezeptoren mit ähnlicher Bindungskinetik. 

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Zytokine und ihre Nachahmer

GCI und das WAVEsystem wurden verwendet, um Interaktionen mit synthetisch erzeugten „Rezeptor-Nachahmern“ von Zelloberflächenrezeptoren zu analysieren, die häufig als Wirkstoffziele von Interesse sind. 

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Interaktionen zwischen spannungsgesteuerten Kalziumkanälen (Ca_v).

Die isotherme Titrationskalorimetrie (ITC) auf dem MicroCal zeigte, dass eine Veränderung des Proteinrückgrats die Protein-Protein-Interaktion in spannungsgesteuerten Kalziumkanälen verändern kann. 

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Peptid-basierte Inhibitoren von Protein-Protein-Interaktionen (ITC)

In diesem Artikel wurden die Verwendung von ITC und anderen Technologien zur Untersuchung der Eigenschaften von eingeschränkten Peptiden untersucht, die Protein-Protein-Interaktionen hemmen. 

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