Medizin am Abend Berlin Fazit: Erstmals menschliches Herzproteom entschlüsselt
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Ein gesundes Herz schlägt ungefähr zwei Milliarden Mal im Leben.
- Dafür sorgen mehr als 10.000 Proteine.
Welche und wie viele einzelne
Proteine in welchen Zelltypen vorhanden sind, haben jetzt Forscherinnen
und Forscher des Max-Planck-Instituts für Biochemie (MPIB) und des
Deutschen Herzzentrums München an der Technischen Universität München
(TUM) erfasst.
Sie haben den ersten Herzatlas des gesunden menschlichen
Herzens, das sogenannte Herzproteom, erstellt.
Damit lassen sich in
Zukunft Unterschiede zwischen kranken und gesunden Herzen aufdecken.
Vordergrund: Herzschemata, Hintergrund: Ausschnitt aus einer
sogenannten Heatmap, eine Übersichtsdarstellung analysierter Proteine,
die erstmals in einem Herzatlas zusammengefasst wurden
Doll/Krause/Menzfeld © MPI für Biochemie
Proteine sind die molekularen Maschinen der Zelle und übernehmen
dort eine Vielzahl von Funktionen.
Diese werden anhand ihrer
Bauanleitung, der DNA, hergestellt.
Veränderungen auf DNA- oder
Protein-Ebene können Krankheiten verursachen.
Damit solche Veränderungen
als Ursachen für Herzkrankheiten erkannt werden können, ist es wichtig
zu wissen, wo welche Proteine im gesunden Herzen vorhanden sind und in
welcher Menge sie vorliegen.
Proteinlandkarte des Herzens
Einen solchen Proteinatlas für das Herz konnte ein Forscherteam aus
München jetzt in Nature Communications veröffentlichen. Dafür bestimmten
die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die komplette
Proteinausstattung der Zellen in
allen Regionen des Herzens wie
Herzklappen, Herzkammern und den wichtigsten Blutgefäßen.
Zudem
untersuchten sie die Proteinzusammensetzung in drei unterschiedlichen
Zelltypen des Herzens:
den Herzfibroblasten,
den glatten Muskelzellen
und den Endothelzellen. So konnte das Forscherteam wie auf einer
Landkarte die Verteilung der Proteine in den unterschiedlichen
Herzbereichen darstellen.
Mit Hilfe der Massenspektrometrie wurden fast
11.000 unterschiedliche Proteine im gesamten Herz identifiziert.
Bisherige Studien konzentrierten sich meist nur auf einzelne Zelltypen
oder nutzten Gewebe aus kranken Herzen. „Das bringt zwei Probleme mit
sich“, erklärt Sophia Doll vom MPIB und Erstautorin der Studie.
„Erstens, lieferten diese Ergebnisse kein Gesamtbild des Herzens mit all
seinen unterschiedlichen Regionen und Geweben
und zweitens fehlten
häufig Daten des gesunden Herzens als Vergleich. Unsere Studie hat jetzt
beide Probleme gelöst. Die Daten können als Referenz für zukünftige
Studien genutzt werden.“
„Der Blick in den Proteinatlas unseres Herzens zeigt: Alle gesunden
Herzen funktionieren sehr ähnlich. Wir konnten in den einzelnen Regionen
jeweils eine ähnliche Proteinzusammensetzung messen, die nur wenige
individuelle Unterschiede zeigte“, sagt Sophia Doll.
- Überraschend war
auch, dass die rechte und linke Herzhälfte sich glichen, obwohl sie
unterschiedliche Aufgaben übernehmen.
Die rechte Hälfte pumpt
sauerstoffarmes Blut zur Lunge und die linke das sauerstoffreiche Blut
aus der Lunge in den Körper.
Krank vs. Gesund: Individuelle Unterschiede erkennen
Im nächsten Schritt wollte die Autorinnen und Autoren testen, ob sich
mit den Daten der gesunden Herzen als Kontrolle auch Veränderungen in
kranken Herzen erkennen lassen. Sie verglichen ihre Werte mit
Herzproteomen von Patienten mit Vorhofflimmern, einer sehr häufigen
Herzrhythmusstörung. Die Ergebnisse konnten tatsächlich erste Hinweise
auf die Ursache der Krankheit liefern:
Das Gewebe des kranken Herzens
unterschied sich am stärksten bei Proteinen, die für die
Energieversorgung der Zelle verantwortlich sind.
Der Vergleich lieferte noch ein weiteres interessantes Ergebnis: Zwar
waren bei allen Patienten die Proteine des Energiestoffwechsels
verändert, aber bei jedem gab es individuelle Veränderungen. „Diese
Ergebnisse zeigen uns,
wie wichtig die personalisierte Medizin ist.
Obwohl alle Patienten sehr ähnliche Symptome haben, sehen wir anhand der
Daten,
dass bei allen Patienten eine unterschiedliche molekulare
Fehlfunktion zugrunde liegt. In Zukunft müssen wir – gerade in der
Herzmedizin – lernen, solche individuellen Unterschiede zu erkennen und
zu behandeln.“, sagt Dr. Markus Krane, stellvertretender Direktor der
Klinik für Herz- und Gefäßchirurgie am Deutschen Herzzentrum München an
der TUM.
Fast 11.000 Proteine in weniger als zwei Tagen
In der Klinik für Herz- und Gefäßchirurgie des Deutsches Herzzentrums
München (Direktor: Prof. Rüdiger Lange) konnte Markus Krane zusammen mit
seinen Kolleginnen und Kollegen weit über 150 Gewebeproben aus über 60
Herzoperationen und aus rechtsmedizinischen Proben zusammengetragen. In
aufwendigen Zellkulturverfahren konnten die unterschiedlichen Zelltypen
daraus gewonnen werden. Erst diese große Menge an Herzmaterial machte es
möglich, die einzelnen Herzbereiche so genau zu untersuchen. Prof.
Matthias Mann, Leiter der Gruppe „Proteomics und Signaltransduktion“ am
MPIB, führte zusammen mit seinem Team die umfangreichen
massenspektrometrischen Messungen durch. Aufgrund der Weiterentwicklung
der Massenspektrometrie und der Probenaufarbeitung sind die
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auf einem guten Weg zur
personalisierten Medizin.
Das Team am MPIB legte großen Wert auf eine präzise, wiederholbare und
schnelle Analysemethode.
Das Messverfahren wurde so verbessert, dass
sich jetzt eine gesamte Herzregion in weniger als zwei Tagen messen
lassen kann – das ist doppelt so schnell wie bisher. Gerade für die
Anwendung am Patienten ist das entscheidend.
Die Daten können demnächst in der offenen Datenbank MaxQB (maxqb.biochem.mpg.de) abgerufen werden.
Originalpublikation
S. Doll, M. Dreßen, P. E. Geyer, D. Itzhak, C. Braun, S. Doppler, F.
Meier, M.-A. Deutsch, H. Lahm, R. Lange, M. Krane, M. Mann, Region and
cell-type resolved quantitative proteomic map of the human heart, Nature
Communications, November 2017
DOI: 10.1038/s41467-017-01747-2
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Über das Max-Planck-Institut für Biochemie
Das Max-Planck-Institut für Biochemie (MPIB) in Martinsried bei München
zählt zu den führenden internationalen Forschungseinrichtungen auf den
Gebieten der Biochemie, Zell- und Strukturbiologie sowie der
biomedizinischen Forschung und ist mit rund 35 wissenschaftlichen
Abteilungen und Forschungsgruppen und ungefähr 800 Mitarbeitern eines
der größten Institute der Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der
Wissenschaften e.V. Das MPIB befindet sich auf dem Life-Science-Campus
Martinsried in direkter Nachbarschaft zu dem Max-Planck-Institut für
Neurobiologie, Instituten der Ludwig-Maximilians-Universität München und
dem Innovations- und Gründerzentrum Biotechnologie (IZB).
http://biochem.mpg.de
Über die Technische Universität München
Die Technische Universität München (TUM) ist mit mehr als 550
Professorinnen und Professoren, 41.000 Studierenden sowie 10.000
Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern eine der forschungsstärksten
Technischen Universitäten Europas. Ihre Schwerpunkte sind die
Ingenieurwissenschaften, Naturwissenschaften, Lebenswissenschaften und
Medizin, verknüpft mit den Wirtschafts- und Sozialwissenschaften. Die
TUM handelt als unternehmerische Universität, die Talente fördert und
Mehrwert für die Gesellschaft schafft. Dabei profitiert sie von starken
Partnern in Wissenschaft und Wirtschaft. Weltweit ist sie mit dem Campus
TUM Asia in Singapur sowie Verbindungsbüros in Brüssel, Kairo, Mumbai,
Peking, San Francisco und São Paulo vertreten. An der TUM haben
Nobelpreisträger und Erfinder wie Rudolf Diesel, Carl von Linde und
Rudolf Mößbauer geforscht. 2006 und 2012 wurde sie als
Exzellenzuniversität ausgezeichnet. In internationalen Rankings gehört
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