Doctoral Thesis
Refine
Document Type
- Doctoral Thesis (2) (remove)
Has Fulltext
- yes (2)
Is part of the Bibliography
- no (2)
Keywords
- Proteomik (2) (remove)
Massenspektrometrie hat sich zur Methode der Wahl für die globale relative und absolute Proteinquantifizierung entwickelt. Da das vorhandene Methodenspektrum in der Anzahl der zu analysierenden Proben limitiert ist und bei der Vermeidung von Vorfraktionierungstechniken keine globale Analyse erlaubt, war es das Ziel dieser Dissertation das Methodenspektrum anhand von anschaulichen Beispielen zur physiologischen Proteomanalyse Gram positiver Bakterien zu erweitern. Dazu erstreckt sich diese Arbeit von der Erweiterung der Anwendungsmöglichkeiten der Isotopen markierten relativen Quantifizierungsmethode, über die Entwicklung eines globalen markierungsfreien relativen Quantifizierungsansatzes bis zur globalen absoluten Quantifizierung und weiter im speziellen der Stöchiometrie-Aufklärung eines Proteinkomplexes. Die Kombination aus 14N/15N metabolischer Markierung mit der GeLC-MS Technik erlaubt eine robuste relative Quantifizierung auf globaler Ebene. Durch die Verwendung eines internen 15N-markierten Referenzextraktes wurde eine bisher nicht erreichte zeitliche Auflösung von zehn Zeitpunkten bei der Untersuchung eines Nährstoffwechsels zwischen den bevorzugten Kohlenstoffquellen, Glukose und Malat, des Gram positiven Modellorganismus Bacillus subtilis erreicht. Dieses Experiment zeigte klar, dass die Anpassung an Malat als zweite Kohlenstoffquelle sehr schnell passiert. Im Gegensatz dazu findet die Anpassung an Glukose als zusätzliche Kohlenstoffquelle mit einer zeitlichen Verschiebung von ca. 45 Min. statt. Diese Ergebnisse legen den Schluss nahe, dass die Anpassung an Malat hauptsächlich auf post-transkriptioneller Ebene geschieht und die Anpassung an Glukose auf transkriptioneller Ebene stattfindet. Die geringe Reproduzierbarkeit von Vorfraktionierungstechniken beschränkt ihre Anwendung während einer markierungsfreien Quantifizierung. Die eingeschränkte Kombinationsmöglichkeit mit Vorfraktionierungstechniken führt zu einer geringeren Anzahl an identifizierten und quantifizierten Proteinen, was durch den Einsatz von Ausschlusslisten mit optimierten Messparametern in wiederholten Messungen mit einer eindimensionalen Chromatographie ausgeglichen wurde. Im Vergleich zu einer einfachen Wiederholung der Messung konnte die Anzahl an identifizierten Peptiden um 32 % gesteigert werden. Der Ausschlusslistenansatz konnte anschließend erfolgreich für eine markierungsfreie globale Proteinquantifizierung der Stickstoffmonoxid (NO) Stressantwort des humanpathogenen Stapylococcus aureus eingesetzt werden. Die Ergebnisse wurden mittels paralleler Quantifizierung mit 14N/15N metabolischen Markierung verifiziert. Mit dem Ansatz wurden fast 50 % des gesamten Proteoms identifiziert und 70 % davon konnten mit einem zu dem Markierungsexperiment vergleichbaren Ergebnis quantifiziert werden. Die Proteomsignatur der NO-Stressantwort zeigte eine hohe Ähnlichkeit zu der von Antibiotika, die wie NO zu DNA-Strangbrüchen führen. Auch bei der absoluten Proteinquantifizierung kann nicht ohne Weiteres eine Vorfraktionierung eingesetzt werden. Durch die Verwendung einer „multiplexed LC-MS“ (LC-MSE) Methode wurde fast die Hälfte aller zytosolischen Proteine von B. subtilis mit einer hohen durchschnittlichen Sequenzabdeckung von 40 % identifiziert. Die Hi3-Methode ermögliche zusätzlich die absolute Quantifizierung fast aller identifizierten Proteine, die über fast vier Größenordnungen nachgewiesen werden konnten. Die Zuverlässigkeit des Ansatzes wurde für sechs Proteine mit der gut etablierten AQUA-Technik bestätigt. Mit der Hi3-Methode wurden zum einen absolute Proteomsignaturen für unterschiedliche Nährstoffsituationen erstellt, was auch Einblicke in die Regulation der Expression von Aminosäure-Biosynthese und –abbau-Enzyme ermöglichte. Zum anderen konnte gezeigt werden, dass die intrazelluläre Konzentration von ribosomalen und weiteren Wachstumsraten-abhängig benötigten Proteinen sich bei niedrigen Wachstumsraten nicht unterscheidet und erst ab einer Wachstumsrate von 0,8 Std.-1 linear ansteigt. Die vergleichsweise hohe Standardabweichung der Hi3-Methode (~30 %) erschwert ihre Anwendung bei der Bestimmung von nicht gradzahligen Protein-Komplex-Stöchiometrien. Deswegen wurde zur Analyse des RNA-Polymerase-Komplexes von B. subtilis der AQUA-Ansatz gewählt, der sich durch eine sehr geringe Standardabweichung auszeichnet (< 10 %). Dazu wurde ein Protokoll entwickelt, welches auf einer mTRAQ-Markierung der Referenzpeptide und des verdauten Komplexes beruhte. Es war so möglich die bekannte Stöchiometrie des Kernkomplexes RpoA:RpoB:RpoC 2:1:1 zu bestätigen und zusätzlich die zwei ω-Unterheiten und die σ-Faktoren σA und σB absolut zu bestimmen. Die Menge an σB im Komplex nahm nach Glukose-Hunger und Ethanol-Stress auf bis zu 5 % zu und es konnte gezeigt werden, dass sich die Menge einer ω-Unterheit (YloH) sich im gleichen Maße im Komplex ändert, wie die Menge an σA.
Dilated cardiomyopathy (DCM) is a myocardial disorder characterised by ventricular dilation with reduced left ventricular ejection fraction (LVEF). Immunoadsorption (IA) followed by immunoglobulin (IgG) substitution (IA/IgG) has been shown to be a promising therapeutic intervention to recover myocardial functions in DCM patients. The beneficial effects of IA/IgG therapy are associated with increased LVEF, decreased left ventricular inner diameter at diastole (LVIDd) and reduced myocardial inflammation. Despite knowing the cardiac benefits of IA/IgG, the precise molecular mechanism induced by therapy is still elusive. Additionally, only ≈60 % DCM patients treated with IA/IgG demonstrated improved heart function. Moreover, the reasons for this differential outcome among DCM patients after treatment have not been clearly understood. In this study, efforts were made to uncover the therapy induced proteomic changes in the heart of responders (relative change in LVEF ≤ 20%, LVEF < 5% absolute value) and non-responders using a global proteomic approach. Apart from it, proteomic profiling of endomyocardial biopsies and plasma was performed to find protein biomarker candidates which might be useful to distinguish responder and non-responder DCM patients before immunoadsorption therapy and support a selective and individualized treatment. To reveal therapy induced myocardial proteomic changes, endomyocardial biopsies of DCM patients before and after therapy were compared. LVEF increased (32 ± 8 to 45±7, p<0.002) and LVIDd decreased (66 ± 6 to 60±6, p<0.040) after therapy in responders, whereas non-responders did not show any significant changes in these clinical parameters. To address the changes in the myocardial proteome induced by therapy, a label-free proteomic approach was applied. The most prominent proteomic differences between both subgroups were observed in cytoskeletal, fibrosis, and extracellular matrix proteins. Therapy linked benefit in responders seems to be highly associated with the lower abundance of fibrotic and extracellular matrix proteins which seems to reflect a lower activity of transforming growth factor-β signaling. To elucidate proteomic differences between responders and non-responders at baseline, endomyocardial biopsies and plasma proteome profiling were performed. Responder and non-responder DCM patients did not show any significant differences in the clinical parameters (LVEF, LVIDd, age, inflammation, etc.) before IA/IgG therapy except for disease duration that was in tendency higher among non-responders. Proteomics profiling of endomyocardial biopsies revealed 54 differentially abundant proteins between responders and non-responders. Among those proteins, Protein S100-A8 and kininogen-1 was found higher whereas perilipin-4 was found lower abundant in responders. Plasma profiling of these subgroups revealed five proteins (S100-A8, S100-A9, C-Reactive protein, lipopolysaccharide-binding protein, and cysteine-rich secretory protein) displaying strong discriminative power between responders and non-responders. Higher abundance of Protein S100-A8 was observed in myocardium as well as in plasma among responders. Protein S100-A8 might be a potential candidate to distinguish responders and non-responders at baseline, and its potential utility at clinical levels must be evaluated. The last objective of the thesis was to establish a workflow for the relative quantitation of phosphopeptides for samples generally obtained in small amounts like myocardial biopsies. To address this question, optimization was performed with HL-1 cardiomyocytes using a PolyMAC phosphopeptide enrichment kit and the effect of TGF-β1 on the phosphoproteome was evaluated as a proof-of-principle study. Using only 200µg protein of each sample up to 2000 phosphopeptides with an efficiency of >90 percent could be covered. In total, upon TGF-β1 incubation alterations of 214, 92, and 53 phosphopeptides were observed after 1, 6 and 24 hours, respectively. Differentially altered phosphopeptides belonged to many signaling pathways including the ubiquitin-proteasome pathway, cytoskeletal regulation by Rho GTPase, calcium signaling, and TGF-β signaling. Thus, in this study a workflow for relative quantitation of phosphopeptides was established that may be later applied to precious biopsy samples. Along with this, TGF- β1 induced phosphoproteome was analysed in HL-1 cardiomyocytes.