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Deciphering the entire protein complement of a living cell together with the elucidation of dynamic processes on protein level are the main goals of proteomics as it is used today. To achieve this goal, namely the elucidation of dynamic processes of the entire bacterial cell, we have developed strategies and distinct workflows to cover the most proteins in different subcellular localizations in bacteria together with a stable isotopes labeling approach to follow temporal and spatial changes in different proteomic subfractions. In this work, it has been shown that the use of mass spectrometry based in vivo quantitation techniques and the application of subcellular and chromatographic fractionation has lead to a new level of qualitative and quantitative proteomics data. Emphasizing on the studies revealing the dynamics of the bacterial physiology on a time resolved base, both spatial and temporal processes can be monitored to obtain knowledge on physiological processes in a depth that has not been reached before in comparable global studies.
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.
A method employing labeling of cell-surface proteins with Sulfo-NHS-SS-biotin and subsequent affinity enrichment with NeutrAvidin has been optimized in order to make cell-surface proteins from Gram-positive bacteria reliably accessible to quantitative mass spectrometric analyses. The optimized biotinylation approach was applied for analysis of the lipoproteome from S. aureus and S. pneumoniae on a global scale and the influence of mutations in the lipoprotein maturation pathway on the cell-surface and exoproteomes of both species was investigated. The biotinylation approach was integrated into a proteomic workflow that employs metabolic labeling with heavy nitrogen for relative protein quantification to investigate proteomic differences between S. aureus in a biofilm model and its free-floating, planktonic counterparts.
Posttranslationale Proteinmodifikationen beeinflussen Proteinaktivitäten und Signalwege innerhalb einer Zelle und haben somit vielfältige Auswirkungen auf den Stoffwechsel von Bakterien. Um die genauen Mechanismen besser verstehen zu können, wurde in dieser Arbeit das Phosphoproteom von Streptococcus pneumoniae D39 untersucht. Der Schwerpunkt lag dabei in der Entwicklung besserer Auswertestrategien und der damit einhergehenden verbesserten Identifizierung von Phosphoproteinen. Um dies zu bewerkstelligen, wurden die Proteinextrakte durch gelfreie und gelbasierte Methoden aufgetrennt. Die Auswertung der Experimente erfolgte zunächst durch klassische Proteinidentifizierung mit Hilfe von Proteindatenbanken. Zusätzlich wurden Spektrenbibliotheken von S. pneumoniae D39 aufgebaut und diese für eine bessere Proteinidentifizierung sowie Phosphoproteinidentifizierung genutzt. Anschließend wurden zur Quantifizierung des Phosphoproteoms dieses Pathogens verschiedene Quantifizierungsmethoden getestet und modifiziert. Hierbei wurde zum einen das Phosphoproteom einer Kinasedeletionsmutante von S. pneumoniae D39 über die Spotintensitäten von 2D Gelen mit dem Wildtyp verglichen. Zusätzlich wurden die Auswirkungen dieser Kinase auf das globale S. pneumoniae D39 Proteom mittels SILAC sowie der neu erstellten Spektrenbibliothek aufgezeigt. Eine weitere etablierte Quantifizierungsmethode für Phosphoproteine in der Arbeit war die Kombination von metabolischer Markierung und 2D Gelen. Die Veränderung des Phosphoproteoms wurde an dem industriell bedeutsamen Bakterium Bacillus pumilus anhand von oxidativem Stress aufgezeigt.
on-healing wounds continue to be a clinical challenge for patients and medical staff.
These wounds have a heterogeneous etiology, including diabetes and surgical trauma wounds. It is
therefore important to decipher molecular signatures that reflect the macroscopic process of wound
healing. To this end, we collected wound sponge dressings routinely used in vacuum assisted therapy
after surgical trauma to generate wound-derived protein profiles via global mass spectrometry.
We confidently identified 311 proteins in exudates. Among them were expected targets belonging to
the immunoglobulin superfamily, complement, and skin-derived proteins, such as keratins. Next to
several S100 proteins, chaperones, heat shock proteins, and immune modulators, the exudates
presented a number of redox proteins as well as a discrete neutrophil proteomic signature, including
for example cathepsin G, elastase, myeloperoxidase, CD66c, and lipocalin 2. We mapped over 200
post-translational modifications (PTMs; cysteine/methionine oxidation, tyrosine nitration, cysteine
trioxidation) to the proteomic profile, for example, in peroxiredoxin 1. Investigating manually
collected exudates, we confirmed presence of neutrophils and their products, such as microparticles
and fragments containing myeloperoxidase and DNA. These data confirmed known and identified
less known wound proteins and their PTMs, which may serve as resource for future studies on
human wound healing
Like eukaryotes, different bacterial species express one or more Ser/Thr kinases and phosphatases that operate in various signaling networks by catalyzing phosphorylation and dephosphorylation of proteins that can immediately regulate biochemical pathways by altering protein function. The human pathogen Streptococcus pneumoniae encodes a single Ser/Thr kinase-phosphatase couple known as StkP-PhpP, which has shown to be crucial in the regulation of cell wall synthesis and cell division. In this study, we applied proteomics to further understand the physiological role of pneumococcal PhpP and StkP with an emphasis on phosphorylation events on Ser and Thr residues. Therefore, the proteome of the non-encapsulated D39 strain (WT), a kinase (ΔstkP), and phosphatase mutant (ΔphpP) were compared in a mass spectrometry based label-free quantification experiment. Results show that a loss of function of PhpP causes an increased abundance of proteins in the phosphate uptake system Pst. Quantitative proteomic data demonstrated an effect of StkP and PhpP on the two-component systems ComDE, LiaRS, CiaRH, and VicRK. To obtain further information on the function, targets and target sites of PhpP and StkP we combined the advantages of phosphopeptide enrichment using titanium dioxide and spectral library based data evaluation for sensitive detection of changes in the phosphoproteome of the wild type and the mutant strains. According to the role of StkP in cell division we identified several proteins involved in cell wall synthesis and cell division that are apparently phosphorylated by StkP. Unlike StkP, the physiological function of the co-expressed PhpP is poorly understood. For the first time we were able to provide a list of previously unknown putative targets of PhpP. Under these new putative targets of PhpP are, among others, five proteins with direct involvement in cell division (DivIVA, GpsB) and peptidoglycan biosynthesis (MltG, MreC, MacP).
Niemann–Pick type C1 (NPC1) is a lysosomal storage disorder, inherited as an
autosomal-recessive trait. Mutations in the Npc1 gene result in malfunction of the NPC1 protein,
leading to an accumulation of unesterified cholesterol and glycosphingolipids. Beside visceral
symptoms like hepatosplenomegaly, severe neurological symptoms such as ataxia occur. Here,
we analyzed the sphingosine-1-phosphate (S1P)/S1P receptor (S1PR) axis in different brain regions
of Npc1−/− mice and evaluated specific effects of treatment with 2-hydroxypropyl-β-cyclodextrin
(HPβCD) together with the iminosugar miglustat. Using high-performance thin-layer chromatography
(HPTLC), mass spectrometry, quantitative real-time PCR (qRT-PCR) and western blot analyses, we
Int. J. Mol. Sci. 2020, 21, 4502; doi:10.3390/ijms21124502 www.mdpi.com/journal/ijms
Int. J. Mol. Sci. 2020, 21, 4502 2 of 31
studied lipid metabolism in an NPC1 mouse model and human skin fibroblasts. Lipid analyses
showed disrupted S1P metabolism in Npc1−/− mice in all brain regions, together with distinct changes
in S1pr3/S1PR3 and S1pr5/S1PR5 expression. Brains of Npc1−/− mice showed only weak treatment
effects. However, side effects of the treatment were observed in Npc1+/+ mice. The S1P/S1PR axis
seems to be involved in NPC1 pathology, showing only weak treatment effects in mouse brain. S1pr
expression appears to be affected in human fibroblasts, induced pluripotent stem cells (iPSCs)-derived
neural progenitor and neuronal differentiated cells. Nevertheless, treatment-induced side effects
make examination of further treatment strategies indispensable
: Platelets are components of the blood that are highly reactive, and they quickly respond
to multiple physiological and pathophysiological processes. In the last decade, it became clear that
platelets are the key components of circulation, linking hemostasis, innate, and acquired immunity.
Protein composition, localization, and activity are crucial for platelet function and regulation. The
current state of mass spectrometry-based proteomics has tremendous potential to identify and quantify thousands of proteins from a minimal amount of material, unravel multiple post-translational
modifications, and monitor platelet activity during drug treatments. This review focuses on the role
of proteomics in understanding the molecular basics of the classical and newly emerging functions
of platelets. including the recently described role of platelets in immunology and the development
of COVID-19.The state-of-the-art proteomic technologies and their application in studying platelet
biogenesis, signaling, and storage are described, and the potential of newly appeared trapped ion
mobility spectrometry (TIMS) is highlighted. Additionally, implementing proteomic methods in
platelet transfusion medicine, and as a diagnostic and prognostic tool, is discussed.
Fibroblasts contribute to approximately 20% of the non-cardiomyocytic cells in the heart. They play important roles in the myocardial adaption to stretch, inflammation, and other pathophysiological conditions. Fibroblasts are a major source of extracellular matrix (ECM) proteins whose production is regulated by cytokines, such as TNF-α or TGF-β. The resulting myocardial fibrosis is a hallmark of pathological remodeling in dilated cardiomyopathy (DCM). Therefore, in the present study, the secretome and corresponding transcriptome of human cardiac fibroblasts from patients with DCM was investigated under normal conditions and after TNF-α or TGF-β stimulation. Secreted proteins were quantified via mass spectrometry and expression of genes coding for secreted proteins was analyzed via Affymetrix Transcriptome Profiling. Thus, we provide comprehensive proteome and transcriptome data on the human cardiac fibroblast’s secretome. In the secretome of quiescent fibroblasts, 58% of the protein amount belonged to the ECM fraction. Interestingly, cytokines were responsible for 5% of the total protein amount in the secretome and up to 10% in the corresponding transcriptome. Furthermore, cytokine gene expression and secretion were upregulated upon TNF-α stimulation, while collagen secretion levels were elevated after TGF-β treatment. These results suggest that myocardial fibroblasts contribute to pro-fibrotic and to inflammatory processes in response to extracellular stimuli.