Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Neue Forschungsergebnisse zur Evolution von Proteinnetzwerken

21.03.2013
Organismen werden erst durch die systemweite Vernetzung der Proteine lebensfähig. Funktion und Evolution dieser Proteinnetzwerke zählen derzeit zu den spannendsten Fragen in der Biologie.

Der Bioinformatiker Thomas Rattei, Universität Wien, und der Physiker Hernan Makse, City University New York (CUNY), verglichen rekonstruierte Proteinnetzwerke. Die Ergebnisse sind sowohl für die Evolutionsforschung als auch für die Interpretation von Genomsequenzdaten interessant. Aktuell publizieren sie dazu in der renommierten Fachzeitschrift PLOS ONE.


Ausschnitt eines Proteinnetzwerks
(Copyright: Universität Wien)

Die Zellen aller Lebewesen bestehen maßgeblich aus Proteinen, die in einem komplexen Miteinander verschiedenste Funktionen ermöglichen. Diese reichen vom Stoffwechsel über den Erhalt und die Steuerung der Zelle bis zum Austausch von Signalen mit anderen Zellen und der Umwelt. Kaum ein Protein wirkt dabei für sich allein – deren systemweite Vernetzung macht die Organismen erst lebensfähig. "Das Wissen um Funktion und Evolution dieser Proteinnetzwerke ist aktuell eine der spannendsten Fragen in der Biologie und z.B. auch in der Krebsforschung bedeutsam", erklärt Thomas Rattei, Leiter des Departments für Computational Systems Biology am Universitätszentrum Althanstraße, sein Forschungsgebiet.

Auf der Suche nach dem Bauplan für Proteinnetzwerke

Durch die Kombination von 20 verschiedenen Bausteinen – den Aminosäuren – ergibt sich eine enorme Vielfalt theoretisch möglicher Proteinvarianten; viel mehr als die geschätzte Anzahl aller Sterne im Universum. Die zufällige Ausbildung einer Wechselwirkung zwischen Proteinen erscheint daher extrem unwahrscheinlich. Wie sich dennoch so komplexe und vielfältige Proteinnetzwerke in den heutigen Lebensformen ausbilden konnten, untersuchten Thomas Rattei, Professor für "In Silico Genomics"

an der Universität Wien, und Hernan Makse, Professor für Physik an der City University New York (CUNY), mit ihren jeweiligen Arbeitsgruppen.

Ausgangspunkt des gemeinsamen Forschungsprojekts war eine Hypothese, in welcher der Vervielfältigung von Proteinen im Laufe der Evolution besondere Bedeutung zukommt. Wird das Erbgut eines Proteins im Genom dupliziert, was evolutionär recht oft vorkommt, dann wechselwirken Kopie und Original mit denselben Partnern im Proteinnetzwerk. Verändern sich danach Original und Kopie, können neuartige Proteine mit individuellen Funktionen und eigenen Partnern im Netzwerk entstehen. Somit würden Interaktionen im Netzwerk nicht neu geschaffen, sondern durch Vervielfältigung und Veränderung aus einfacheren Vorläufern entstehen.

Proteinnetzwerke ausgestorbener evolutionärer Vorläufer rekonstruiert

In einem aufwändigen Computerexperiment haben die beiden Arbeitsgruppen um Bioinformatiker Thomas Rattei und Physiker Hernan Makse diese Hypothese überprüft und verfeinert. Hierfür wurde eine neuartige Methode entwickelt, mit der sich aus den Genomen und Proteinnetzwerken heute lebender Organismen die Netzwerke längst ausgestorbener evolutionärer Vorläufer rekonstruieren lassen. Verwendet wurden Daten von sieben Arten aus den verschiedensten Bereichen des Lebens: von Bakterien über Pilze, Pflanzen, Tiere bis hin zum Menschen.

Heutige Netzwerke – komplexe Strukturen durch einfache Mechanismen

Der Vergleich der so rekonstruierten frühen Proteinnetzwerke lieferte ein überraschend eindeutiges Ergebnis: die heutigen Netzwerke lassen sich fast vollständig durch den Mechanismus von Vervielfältigung und Veränderung erklären. Neuartige Wechselwirkungen zwischen bestehenden Proteinen entstehen hingegen extrem selten. Dieses Prinzip scheint in der Evolution universell zu wirken, denn es wurde durch Daten aller untersuchten Organismen bestätigt. Dieser Wachstumsmechanismus könnte auch für andere Typen biologischer Netzwerke wirken, und er erklärt auf einfache Weise besondere Eigenschaften, wie beispielsweise die Selbstähnlichkeit (Fraktalität) in Proteinnetzwerken.

Hilfreich für Interpretation von Genomsequenzdaten und Evolutionsforschung

Die Ergebnisse des gemeinsamen Forschungsprojekts der Universität Wien und der CUNY werden nicht nur für die Evolutionsforschung Bedeutung haben. Sie unterstützen insbesondere die Interpretation von Genomsequenzdaten, die in den letzten Jahren in vielen Bereichen der Biologie und Medizin zur etablierten Methode geworden ist. Diese Zielstellung haben auch zahlreiche aktuelle Projekte des Departments für Computational Systems Biology, das mit systemweiten Forschungsansätzen Krankheitserreger, mikrobielle Gemeinschaften und molekulare Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Organismen analysiert.

Publikation in PLOS ONE:
The evolutionary dynamics of protein-protein interaction networks inferred from the reconstruction of ancient networks. Yuliang Jin, Dmitrij Turaev, Thomas Weinmaier, Thomas Rattei, Hernan Makse. In: PLOS ONE, 2013.
Wissenschaftlicher Kontakt
Univ.-Prof. Mag. Dr. Thomas Rattei
Department für Computational
Systems Biology
Universität Wien
1090 Wien, Althanstraße 14 (UZA I)
T +43-1-4277-762 10
M +43-664-60277-762 10
thomas.rattei@univie.ac.at
Rückfragehinweis
Mag. Veronika Schallhart
Pressebüro der Universität Wien
Forschung und Lehre
1010 Wien, Universitätsring 1
T +43-1-4277-175 30
M +43-664-602 77-175 30
veronika.schallhart@univie.ac.at

Veronika Schallhart | Universität Wien
Weitere Informationen:
http://dx.plos.org/10.1371/journal.pone.0058134
http://compsysbio.univie.ac.at/personen/rattei/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Aufschlussreiche Partikeltrennungen
20.07.2017 | Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

nachricht Bildgebung von entstehendem Narbengewebe
20.07.2017 | Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Molekulares Lego

Sie können ihre Farbe wechseln, ihren Spin verändern oder von fest zu flüssig wechseln: Eine bestimmte Klasse von Polymeren besitzt faszinierende Eigenschaften. Wie sie das schaffen, haben Forscher der Uni Würzburg untersucht.

Bei dieser Arbeit handele es sich um ein „Hot Paper“, das interessante und wichtige Aspekte einer neuen Polymerklasse behandelt, die aufgrund ihrer Vielfalt an...

Im Focus: Das Universum in einem Kristall

Dresdener Forscher haben in Zusammenarbeit mit einem internationalen Forscherteam einen unerwarteten experimentellen Zugang zu einem Problem der Allgemeinen Realitätstheorie gefunden. Im Fachmagazin Nature berichten sie, dass es ihnen in neuartigen Materialien und mit Hilfe von thermoelektrischen Messungen gelungen ist, die Schwerkraft-Quantenanomalie nachzuweisen. Erstmals konnten so Quantenanomalien in simulierten Schwerfeldern an einem realen Kristall untersucht werden.

In der Physik spielen Messgrößen wie Energie, Impuls oder elektrische Ladung, welche ihre Erscheinungsform zwar ändern können, aber niemals verloren gehen oder...

Im Focus: Manipulation des Elektronenspins ohne Informationsverlust

Physiker haben eine neue Technik entwickelt, um auf einem Chip den Elektronenspin mit elektrischen Spannungen zu steuern. Mit der neu entwickelten Methode kann der Zerfall des Spins unterdrückt, die enthaltene Information erhalten und über vergleichsweise grosse Distanzen übermittelt werden. Das zeigt ein Team des Departement Physik der Universität Basel und des Swiss Nanoscience Instituts in einer Veröffentlichung in Physical Review X.

Seit einigen Jahren wird weltweit untersucht, wie sich der Spin des Elektrons zur Speicherung und Übertragung von Information nutzen lässt. Der Spin jedes...

Im Focus: Manipulating Electron Spins Without Loss of Information

Physicists have developed a new technique that uses electrical voltages to control the electron spin on a chip. The newly-developed method provides protection from spin decay, meaning that the contained information can be maintained and transmitted over comparatively large distances, as has been demonstrated by a team from the University of Basel’s Department of Physics and the Swiss Nanoscience Institute. The results have been published in Physical Review X.

For several years, researchers have been trying to use the spin of an electron to store and transmit information. The spin of each electron is always coupled...

Im Focus: Das Proton präzise gewogen

Wie schwer ist ein Proton? Auf dem Weg zur möglichst exakten Kenntnis dieser fundamentalen Konstanten ist jetzt Wissenschaftlern aus Deutschland und Japan ein wichtiger Schritt gelungen. Mit Präzisionsmessungen an einem einzelnen Proton konnten sie nicht nur die Genauigkeit um einen Faktor drei verbessern, sondern auch den bisherigen Wert korrigieren.

Die Masse eines einzelnen Protons noch genauer zu bestimmen – das machen die Physiker um Klaus Blaum und Sven Sturm vom Max-Planck-Institut für Kernphysik in...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Operatortheorie im Fokus

20.07.2017 | Veranstaltungen

Technologietag der Fraunhofer-Allianz Big Data: Know-how für die Industrie 4.0

18.07.2017 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - September 2017

17.07.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

1,4 Millionen Euro für Forschungsprojekte im Industrie 4.0-Kontext

20.07.2017 | Förderungen Preise

Von photonischen Nanoantennen zu besseren Spielekonsolen

20.07.2017 | Physik Astronomie

Bildgebung von entstehendem Narbengewebe

20.07.2017 | Biowissenschaften Chemie