Proteine wirken selten allein, sondern interagieren miteinander, um verschiedene Zellfunktionen auszuführen.
Die Untersuchung dieser Protein-Protein-Interaktionen liefert wichtige Einblicke in eine Vielzahl von biologischen Prozessen.
Die Bedeutung von Proteininteraktionen
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.
Verschiedene Arten von Proteininteraktionen
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.
Gründe für die Untersuchung von Protein-Protein-Interaktionen
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:
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- 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.
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So messen Sie Protein-Protein-Interaktionen
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.:
| Methode | Beschreibung | Malvern Panalytical-Gerät |
|---|---|---|
| Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) | Die NMR-Spektroskopie liefert strukturelle Informationen auf atomarer Ebene und zeigt Details über Konformationsveränderungen von Proteinen bei der Bindung auf. | -- |
| Tandem Affinity Purification-Mass Spectroscopy (TAP-MS) | TAP liefert einen gereinigten Proteinkomplex, der auf einem Massenspektrometer (MS) ausgeführt werden kann, um Protein-Protein-Interaktionen zuzuordnen. | -- |
| Gitter-gekoppelte Interferometrie (GCI) | Dank dieser markerfreien, oberflächenbasierten Echtzeittechnologie können Forscher schnell und genau kinetische Raten messen, die Affinität bestimmen und die Konzentrationen selbst in geringer Menge vorkommender interagierender Analyte in Rohproben wie Biofluiden überwachen. | |
| Oberflächenplasmonresonanz (SPR) | SPR ermöglicht die Echtzeitüberwachung von Proteininteraktionen an der Oberfläche eines Sensorchips und ermöglicht so eine präzise Bestimmung der Bindungskinetik und -affinität. SPR ist ein markerfreies Verfahren, bei dem relativ kleine Materialmengen verwendet werden. Dies ermöglicht eine präzise und genaue Analyse von Proteininteraktionen. | -- |
| Isothermale Titrationskalorimetrie (ITC) | ITC misst die bei Bindungen freigesetzte oder absorbierte Wärme und liefert wichtige thermodynamische Informationen zum Verständnis der Interaktionsmechanismen. | |
| Ähnliche Technologien: | ||
| Dynamische Differenzkalorimetrie (DSC) | DSC misst die thermische Stabilität von Proteinen, was hilfreich für Stabilitätsstudien, Beurteilungen der Biosimilarität sowie für die Chargenvergleichbarkeit ist. Bei der DSC wird die thermische Stabilität gemessen, indem die Wärmeänderung bei der Denaturierung eines Moleküls bei konstanter Erwärmungsrate überwacht wird. | |
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Elektrophoretische Lichtstreuung (ELS)
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ELS misst die Partikelmobilität und -ladung. DLS misst die Partikelgröße von dispersen Systemen mit einer Größenordnung von Sub-Nanometern bis hin zu mehreren Mikrometern Durchmesser. Durch die Kombination dieser Techniken erhalten Sie einen umfassenderen Überblick über Protein-Protein-Interaktionen, was nützlich für die Entwicklung von Interventionen ist, die auf spezifische molekulare Interaktionen abzielen. | |
WAVEsystem
Bioanalytische Instrumente der nächsten Generation für die Arzneimittelfors...
MicroCal ITC Produktlinie
Bestimmung der Bindungsparameter von Biomolekülen in einer einzigen Analyse
MicroCal DSC Produktlinie
Hochwertige Proteinstabilitätsanalysen im regulierten Umfeld
Beispiele für Protein-Protein-Interaktionen, die mit Geräten der Marke Malvern Panalytical gemessen wurden
In mehreren Studien wurden Malvern Panalytical-Geräte zur Analyse von Protein-Protein-Interaktionen (PPI) verwendet. Hier einige Beispiele:
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- Pflanzenmembranrezeptorkinasen
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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.
- Zytokine und ihre Nachahmer
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GCI und das WAVEsystem wurden verwendet, um Interaktionen mit synthetisch erzeugten „Rezeptor-Nachahmern“ von Zelloberflächenrezeptoren zu analysieren, die häufig als Wirkstoffziele von Interesse sind.
- Interaktionen zwischen spannungsgesteuerten Kalziumkanälen (Cav).
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Die isotherme Titrationskalorimetrie (ITC) auf dem MicroCal zeigte, dass eine Veränderung des Proteinrückgrats die Protein-Protein-Interaktion in spannungsgesteuerten Kalziumkanälen verändern kann.
- Peptid-basierte Inhibitoren von Protein-Protein-Interaktionen (ITC)
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In diesem Artikel wurden die Verwendung von ITC und anderen Technologien zur Untersuchung der Eigenschaften von eingeschränkten Peptiden untersucht, die Protein-Protein-Interaktionen hemmen.
