Wie untersuchen wir Signalwege innerhalb der Zelle?

Proteine (Eiweißstoffe) können nach ihrer Herstellung in Zellen durch Enzyme modifiziert werden. Eine solche Modifikation ist unter anderem die sogenannte Phosphorylierung, bei der ein Phosphatrest an ein Protein angehängt wird. Diese Modifikation spielt eine Rolle bei der Weiterleitung von Signalen in Zellen, die unter anderem zum Zellwachstum oder zur Zellteilung führt und somit eine essenzielle Funktion für Organismen hat. Fehlfunktionen in der Signalweitergabe können zu Krankheiten, wie z.B. Krebs führen.

Unser Ziel ist es daher, diese Signalwege in Zellen zu untersuchen und dafür neue Methoden zu entwickeln. Hierbei werden Proteine aus Zellen in kleine Fragmente zerschnitten (Peptide), wodurch Peptide mit und ohne Phosphorylierungen entstehen. Diese müssen einer Anreicherungsmethode unterlaufen, in der phosphorylierte Peptide ausgesiebt werden, um deren Identifizierung mittels analytischer Methoden (Massenspektrometrie) zu erleichtern.

Durch die Bestimmung von Phosphorylierungsstellen an Peptiden, kann dann darauf rückgeschlossen werden, um welches Protein es sich ursprünglich handelte. Wir haben eine neue Methode entwickelt, um Phosphopeptide anzureichern. Die verschiedenen Schritte dieser Methode sind auf der Titelseite des Journals ChemBioChem von Barth van Rossum spielerisch im Spa dargestellt. Im ersten Schritt (Pool) reagieren Phosphopeptide spezifisch mit einem Phosphorimidazolid-Reagenz (einem chemischen Molekül), wobei Peptide ohne Phosphorylierung nicht reagieren. Die Reaktion ermöglicht das Heraussieben von Phosphopeptiden gegenüber anderen Peptiden. Im nächsten Schritt (Sonnenbank) werden die Peptide bestrahlt, wodurch das Reagenz wieder entfernt wird, wobei allerdings ein weiteres Phosphat an dem Phosphopeptid zurückbleibt, was durch Lanthanid-Ionen (einer Elementgruppe), bei erhöhter Temperatur im finalen Schritt (Sauna), entfernt werden kann, um somit die Analyse der angereicherten Probe zu ermöglichen.

Die Methode soll in der Zukunft dafür angewandt werden, Phosphorylierungsstellen an Proteinen zu identifizieren und zum zunehmenden Verständnis von Signalwegen in Zellen beizutragen, um unter anderem Fehlfunktionen zu identifizieren und Krankheiten gezielter behandeln zu können.

Chemoselective Labeling and Immobilization of Phosphopeptides with Phosphorimidazolide Reagents. Nathaniel W. Brown, Sandra K. Schlomach, Alan M. Marmelstein, Dorothea Fiedler. ChemBioChem, Volume 24, Issue4, February 14, 2023; e202200407.
https://doi.org/10.1002/cbic.202200407