Ein Proteinatlas des Gehirns

Ähnlich wie im Mittelalter, als es auf der Erde noch viele weiße Flecken gab, wissen Forscher heute, dass es noch viel Unbekanntes im Mikrokosmos der Zellen zu entdecken gibt. Anstelle des Sextanten und des Kompasses nutzen sie heute die moderne Methode der Massenspektrometrie, um die Welt der Proteine zu entdecken. Besonders das Gehirn, das komplexeste Organ des Menschen steht mit seinen Milliarden Zellen im Fokus.

Um die komplexen Gehirnfunktionen zu verstehen, haben Wissenschaftler der Max-Planck-Institute für Biochemie in Martinsried und für experimentelle Medizin in Göttingen erstmals die gesamten Proteine ‒ das Proteom ‒ im ausgewachsenen Maushirn quantifiziert. Die Informationen, welche Proteine und wie viele von ihnen in den verschiedenen Zellarten und Hirnregionen vorkommen, wurden in einem Proteinatlas zusammengefasst.

Das Gehirn besteht aus Milliarden Zellen die miteinander in Verbindung stehen und interagieren. Die verschiedenen Zelltypen übernehmen spezielle Aufgaben. Während Nervenzellen Reize von außen weiterleiten und verarbeiten, versorgen verschiedene Gliazellen die Nerven mit Nährstoffen, regulieren den Blutfluss im Gehirn, helfen bei der Isolation der Nervenfasern oder übernehmen Aufgaben des Immunsystems.

Innerhalb der Zelle sind Proteine die wichtigsten funktionellen Bausteine. Sie arbeiten als kleine molekulare Maschinen oder geben den Zellen ihre Struktur. Die Bauanleitungen der Proteine sind in der DNA und RNA kodiert. Diese Biomoleküle wurden in den letzten Jahren weitreichend im Gehirn untersucht. „Bis jetzt war aber nicht bekannt, welche und wie viele Proteine in den verschiedenen, hoch spezialisierten Zellen hergestellt werden, und auch nicht, wie sich die Proteinmengen in den einzelnen Regionen unterscheiden“, erklärt der Neurowissenschaftler Mikael Simons.

„Für die Untersuchung brauchten wir moderne Mess- und Analysemethoden, um diese riesigen Proteinmengen überhaupt erfassen und auswerten zu können.“ Zusammen mit den Spezialisten für Proteinforschung, ein Team geleitet von Matthias Mann in Martinsried, wurde die Technologie der Massenspektrometrie weiterentwickelt. Erst dadurch wurde eine ausreichend schnelle, reproduzierbare und quantifizierbare Messung der Hirnproteine möglich.

So konnten die Wissenschaftler zeigen, dass es im erwachsenen Gehirn der Maus ungefähr 13.000 verschiedene Proteine gibt. In welchen Mengen diese in den verschiedenen Zelltypen und Hirnregionen vorkommen, und wie sie sich voneinander unterscheiden kann jetzt in dem neu erstellten Proteinatlas nachgelesen werden. Die hier aufgeführten Daten aus fünf verschiedenen Zelltypen und zehn Hirnregionen der Maus ergeben die bislang umfangreichste Datensammlung.

Die Erforschung des Proteoms bildet die Grundlage um zukünftig die Entwicklung des Gehirns und dessen Funktionen besser zu verstehen. „Überraschenderweise sind nur 10 Prozent aller Proteine zelltypspezifisch“, erklärt Kirti Sharma, Erstautorin des Projektes. „Diese zellspezifischen Proteine befinden sich meist an der Zelloberfläche.“ Die große Mehrheit, also 90 Prozent aller Proteine, kommen in allen Zellarten vor.

Wie nach einem Helikopterflug über neue Landschaften, haben die Forscher die bislang umfangreichte Bestandsaufnahme an Hirnproteinen durchgeführt. Mit dem Proteinatlas konnten sie eine wichtige Grundlage für viele Forschungsprojekte schaffen, die helfen könnten, neue Behandlungsmethoden zur Bekämpfung von Hirnerkrankungen zu finden.

Ansprechpartner

Prof. Dr. Matthias Mann
Max-Planck-Institut für Biochemie, Martinsried
Telefon: +49 89 8578-2557

Fax: +49 89 8578-2219

E-Mail: mmann@biochem.mpg.de

Dr. Christiane Menzfeld
Max-Planck-Institut für Biochemie, Martinsried
Telefon: +49 89 8578-2824

Fax: +49 89 8578-3777

E-Mail: menzfeld@biochem.mpg.de

Originalpublikation
K. Sharma, S. Schmitt, C. G. Bergner, S. Tyanova, N. Kannaiyan, N. Manrique-Hoyos, K. Kongi, L. Cantuti, U.K. Hanisch, M.A. Philips, M.J. Rossner, M. Mann & M. Simons

Cell type- and brain region-resolved mouse brain proteome.

Nature Neuroscience, November 2015 (DOI: 10.1038/nn.4160)