Proteine am Rande der Faltbarkeit

Was für ein PR-Stunt! Ich erzähle erst drei Blogposts lang was über Proteinfaltung und Chaperone, um dann dem geneigten Leser hier mein jüngstes Paper unterzujubeln. Evolution, kontroverse Forschungsergebnisse, bunte Abbildungen, Publikationsdrama, ein Vorhersagealgorithmus und ein Zitat aus einem Bibelforum. Alles in einem Blogpost.


In zweieinhalb Jahren bei ScienceBlogs habe ich erst ein Mal über meine eigene Forschung im Labor geschrieben. Daher der Disclaimer gleich vorneweg: Ich bin verantwortlicher Autor der Veröffentlichung über die ich hier blogge. Es geht um Chaperone und Evolution.
Um zu verstehen was wir im Juli in Bioinformatics publiziert haben macht es Sinn meine drei Vorbereitungsposts gelesen zu haben: Der erste über Proteinfaltung im Allgemeinen, der zweite über das Chaperon GroEL und der dritte über die Funktion des Chaperons Hsp90 als evolutionärer Puffer.
Womit wir auch direkt beim Thema der Publikation wären. Der Grundgedanke war: Wenn Chaperone eine evolutionäre Pufferfunktion haben, die sich auf Ebene des Phänotyps zeigt (siehe Fliegenmutanten im letzten Post), dann müsste dieser Puffereffekt doch ebenfalls auf genetischer Ebene festzustellen sein. Denn dort spielt sich ja die Evolution ab – in Form von Mutation und Selektion.
Zur Erinnerung: Die Pufferfunktion der Faltungshelfer besagt, dass Proteinen, die mit den Chaperonen interagieren eine gewisse Toleranz gegenüber ungünstigen Mutationen verliehen wird, da sie sich trotzdem noch richtig falten können. Wir haben diese Hypothese nun nicht – wie im letzen Artikel – mit dem Chaperon Hsp90 in Taufliegen untersucht, sondern mit dem Chaperon GroEL in E. coli, und zwar aus dem einfachen Grund: Die Proteine, die mit GroEL in E. coli interagieren sind schon identifiziert, es sind rund 250.

Abb1 EL-mapping.jpg

Unser Ansatz ist in Abbildung 1 hier links grafisch dargestellt. Wir haben die DNA-Sequenzen der E. coli Proteine mit den DNA Sequenzen der Proteine von anderen, eng verwandten Bakterien verglichen und gemessen, wie häufig durch Mutationen tatsächlich ein Aminosäureaustausch stattgefunden hat. Die Pufferhypothese würde nahelegen, dass Chaperonsubstrate im Vergleich zu anderen Proteinen der Zelle im Lauf der Zeit mehr Mutationen angehäuft haben.
Wir haben genau das Gegenteil gefunden.
Im Detail sah die Analyse so aus: Zuerst haben wir für jedes E. coli Protein das jeweils ähnlichste Protein in den verwandten Bakterien bestimmt. Für jedes dieser Paare haben wir eine Evolutionsrate berechnet. Der Mittelwert dieser Evolutionsraten für die 250 GroEL Substrate (rote Linie im Bild unten) liegt – statistisch signifikant – weit links außerhalb der Verteilung der Mittelwerte von 5000 Datensätzen mit jeweils 250 zufällig ausgewählten Proteinen (blaue Balken im Bild unten). Und links heißt hier: geringere Evolutionsrate, also weniger Aminosäureaustausche im Verhältnis zu anderen, stillen Mutationen. Unerwartet und reproduzierbar für mehrere Organismenpaare.

Abb2 dn:ds EL substrates.jpg

Hier die Erklärung des ganzen, falls Leser Asgard diesen Artikel – so wie mein letzten – in evolutionskritischen Bibelforen zitieren möchte. Die Reaktionen (neun Beiträge unter dem Link) sind überzeugend:
Asgard, ich ermahne dich im Herrn, die Geister zu prüfen, so wie es deine Aufgabe als Christ ist! Prüfe die Geister der Evolutions- und Urknalltheorie und tu das bitte im Gebet zu Gott. Er ist der einzige, der dir die Augen öffnen kann! Leider hat dir der Teufel die Augen mit Dreck vollgeschmiert, sodass du die Wahrheit nicht fassen kannst.
Chaperonsubstrate haben von vorne herein Probleme mit der Faltung (sonst müssten sie nicht mit Chaperonen interagieren). Sie verkraften trotz Chaperonbenutzung gerade keine zusätzlichen Mutationen, da ihre Faltungswege energetisch schon sehr ungünstig sind. Zur Veranschaulichung ist das grafisch in der dritten Abbildung unten dargestellt.
Chaperonunabhängige Proteine falten sich schnell und problemlos (blaue Kurve). Proteine die auf Chaperone angewiesen sind brauchen zum produktiven falten entweder recht lange (rote Kurve) oder laufen Gefahr falsch gefaltete Intermediate zu bilden (gestrichelte Kurve). Dadurch ist Zeit für die Interaktion mit dem Chaperon – weitere Mutationen würden aber eher diesen problematischen Proteinen schaden als jenen, die sich bislang problemlos und ohne Chaperone in ihre richtige Struktur falten. Die Pufferfunktion ist vorhanden, nur bei GroEL-Substraten in E. coli wird sie schon voll ausgenutzt.

Abb3 protein folding model.jpg

Nebenbei haben wir noch andere Parameter gefunden, die GroEL-Substrate von anderen zellulären Proteinen in E. coli unterscheiden. Wir haben diese zu einem (nicht besonders guten) Vorhersagealgorithmus für die GroEL-Nutzung zusammengefasst. Wer mehr wissen will, sei an Bioninformatics verwiesen. Dort ist das Paper publiziert und leider nur kostenpflichtig erhältlich.
Es war ein Drama in mehreren Akten (sprich: Journals), das sich insgesamt über 15 Monate zog, um diese Daten zu publizieren, da sie ja auf den ersten Blick der recht etablierten Hypothese zur evolutionären Pufferfunktion zu widersprechen scheinen. Nächstes Mal gehts direkt zu PLoS One.
ResearchBlogging.orgRaineri E, Ribeca P, Serrano L, & Maier T (2010). A more precise characterization of chaperonin substrates. Bioinformatics (Oxford, England), 26 (14), 1685-9 PMID: 20519287
Teil1: Das Problem der Proteinfaltung
Teil2: Sittenlose Luder werden von Anstandsdamen richtig erzogen
Teil3: Chaperone und Evolution – Stress bei Fruchtfliegen


Für mich wird es hier auf den ScienceBlogs in nächster Zeit wohl eine Blogpause geben (wenn ich nicht doch über die Antibiotikaresistenzen schreibe). Das hat zum einen berufliche Gründe – ich muss mehr Papers schreiben.
Zum anderen möchte ich wieder zu dem Zustand des Tolerierens durch ignorieren zurück, mit dem ich bislang den Artikeln meiner Mitblogger begegnet bin, wenn ich mit deren Inhalt nicht einverstanden war. Und das erfordert Abstand.

Kommentare

16 Kommentare

  1. Na, der PR-Stunt ist jedenfalls gelungen!
    Sehr schöne Reihe von posts, auch für Nicht-Bioinformatiker (schon allein die Titel!).
    Schade, dass es hier nun erstmal ruhiger werden soll. Aber wenn das den Einstrom von Leerlaufdebatten abpuffert und sich stattdessen konstruktive Diskussionen entfalten – so sei es!

  2. Erstmal Glückwünsche zu dem durchstandenen Drama. Es ist natürlich schade, wenn Du Dich nächstens hier rar machst. Im Grunde sind mir ja Beiträge mit eingebautem Erkenntnisgewinn lieber als die wahrscheinlich unumgänglichen, aber auch schnell ein wenig leerlaufenden Debatten, bei denen man die eigene Meinung und die aller Beteiligten schon vorher kennt.
    Jedenfalls weiß ich jetzt (ungefähr, ein bißchen), was Chaperone sind. („Sachen gibts…“)

  3. kerstin,
    Danke! Der Titel des aktuellen Blogposts ist eine Refernz darauf, wie du ja sicher erkannt hast.
    Andrea, danke.
    Martin,
    wichtig oder nicht kann vielleicht mit essentiell oder nicht essentiell übersetzt werden. Essentielle Proteine sind unter den GroEL Substraten nicht signifikant angereichert.
    Ein Chaperon interagiert mit einem Protein, wenn dieses hydrophobe Aminosäureseitengruppen exponiert. Exponierte hydrophobe Aminosäureseitenketten sind ein Zeichen für einen problematischen Verlauf der Proteinfaltung. Wir denken, weil diese Substratproteine schon problematisch sind, können sie in vivo anteilig weniger Mutationen verkraften, daher die rote Linie links neben den blauen Balken.
    Um es mit deinen Worten zu sagen: Wir vermuten, dass zusätzliche Mutationen die „Fitness“ der ohnehin problematischen Substratrpoteine veringern, so dass überhaupt nichts mehr geht. Andere Protein verkraften, wenn man so will, einzelne, die Fitness verringernde Mutationen besser und zeigen dadurch im Vergleich ein höheres dN/dS (nicht-synonymer/synonymer Aminosäureaustausch)

  4. Moin.
    Welche Daten oder Argumente sprechen denn dafür, die Pufferhypothese beizubehalten?
    Die Idee dabei ist doch, zu erklären, dass Chaperon-abhängige Proteine quasi als Zwischenlager für unter Stressbedingungen neue, vorteilhafte Phänotypen dienen.
    Ich hab das Paper noch nicht gelesen, aber ich würde eure Ergebnisse spontan so interpretieren, dass die Rolle derartiger genetischer „Reserven“ im Vergleich zur phänotypischen Plastizität und der eh schon vorhandenen Variationsbreite einer Population geringer ist als vermutet.

  5. Diese Frage ist vielleicht ähnlich wie die von Lars Fischer:
    Die Vermutung liegt ja irgendwie nahe, dass es besonders „wichtige“ Proteine sind, die Chaperone haben (ist ja immerhin Aufwand). Bei denen wären dann Mutationen ja vielleicht auch eher gefährlich (bei nem „unwichtigen“ Protein dagegen vielleicht weniger) und deshalb stärker selektiert, während ein „unwichtiges“ Protein vielleicht auch eine Minderfunktion durch gestörte Proteinsequenz verkraftet oder vielelicht zwar die Fitness senkt, aber nicht bedrohlich – weitere Mutationen könnten das Protein dann wieder tauglich machen.
    Kann man das durch die Vielzahl der untersuchten Proteine statistisch ausschließen oder ist das sowieso Blödsinn?

  6. @Tobias
    „Essentielle Proteine sind unter den GroEL Substraten nicht signifikant angereichert.“
    Na, das beantwortet die Frage dann wohl ziemlich klar.
    Danke.

  7. Hi Björn,
    GroEL ist essentiell in E. coli, weil ein paar der stringenten (also absolut auf GroEL angewiesenen) Substrate essentielle Proteine sind. Es wurde zwar gezeigt, dass man GroEL unter permissiven Bedingungen auf rund 10% des nativen Levels depletieren kann, gesund ist das für die Zelle aber nicht.

  8. Hi Tobias! Cooles Ergebnis. Was passiert mit Deinem Stamm wenn man GroEL (lol – klingt wie der grosse Bruder von Kal-El) ausschaltet? Wenn alle GroEL Substrate ‚am Limit‘ sind müsste es den Bakkies ohne GroEL ja richtig schlecht gehen oder?

  9. Ein verspäteter Glückwunsch auch von mir!
    Ich hatte ja noch überlegt, ob das vielleicht auf Unterschiede zwischen Pro- und Eukaryoten (oder zumindest Hefe) hindeutet, aber wenn die Pufferhypothese auf Überexpressionsdaten beruht, naja. Muss ich die gute Susan Lindquist halt erst mal wieder von meiner Nobelpreiskandidatenliste streichen 😉

  10. „(wenn ich nicht doch über die Antibiotikaresistenzen schreibe)“
    – Daran wäre ich persönlich sehr interessiert.
    Gruß

  11. Glückwunsch auch von mir zum gelungenen Wurf. So haben wir dieses Jahr alle unsere Babies. Viel Spaß beim blogging sabbatical!

  12. OT
    So. Jetzt wäre mal ein guter Zeitpunkt gekommen, um einen aktuellen Sturm im Sommerloch-Blätterwald als Ausgangspunkt für Volksbildung zu nehmen.
    http://news.google.de/news/more?cf=all&ned=us&cf=all&ncl=dZQwfBSQQOapnMMdnjOZJ6szc7r_M
    99 Medien weltweit trompeten die „Nachricht“, Adolf Hitler habe jüdische Vorfahren gehabt.
    Das TIME Magazin titelt: New Research Shows That Hitler Had Jewish Roots, und dergleichen Headlines in den Mainstream-Medien gibt es viel mehr.
    Was war passiert? Am 18. August 2010 brachte das belgische Online-Nachrichtenmedium Knack.be folgende „Meldung“: Hitler war mit Somaliern, Berbern und Juden verwandt. Laut dem Artikel (wenn man ein bisschen schielt, sieht Flämisch wie Deutsch aus) war der Journalist Jean-Paul Mulders dem Gerücht auf der Spur, A.H. habe im 1. Weltkrieg mit einer Französin einen Sohn gezeugt, dabei sei er auf die Frage der „genetischen Abstammung des Führers“ gestoßen.
    Danach war H. Träger der Haplogruppe E1b1b, die in Deutschland und Westeuropa „wenig verbreitet“ sei, aber viel häufiger „im Süden“ vorkomme: u.a. bei 25% der Griechen und Sizilianer, am häufigsten aber bei „über 80% der Berber Nordafrikas und in Somalien“. Noch „auffallender“ sei, dass die Haplogruppe von Hitler die am zweithäufigsten vorkommende bei aschkenasischen (vereinfacht: europäischen, s. Wikipedia für genauere Definition) Juden sei; eine Bezifferung hierfür wird jedoch nicht gegeben.
    Es folgt ein wörtliches Zitat, wonach Hitler „nicht rasserein oder arisch“ gewesen sei. Anschließend wird ein „Professor Ronny Decorte, Experte für Genetik an der Königlichen Universität Löwen“, zitiert: „Die Resultate dieser Studie sind überraschend, Hitler wäre darüber nicht froh gewesen.“
    Eine Woche lang geschah nichts, dann sah die Onlne-Ausgabe der britischen Boulevard-Zeitung Daily Mail ihre Chance auf Steigerung der Klick-Zahlen gekommen: DNA tests reveal ‚Hitler was descended from the Jews and Africans he hated‘. (Man beachte, Juden sind bereits von der dritten an die erste Stelle gelangt.)
    Der Artikel fügt noch weitere Angaben hinzu. Die fragliche Haplogruppe werde bei ca. 18 bis 20 Prozent der aschkenasischen und bei 8,6 bis 30 Prozent der sephardischen Y-Chromosome gefunden und sei „eine der großen Gründer-Linien der jüdischen Bevölkerung.“
    Ferner erfährt der geneigte Leser, wie der Journalist Mulders und der Historiker Vermeeren (von dem bei Knack.de noch nicht die Rede war) an die DNA von A.H. gelangten.
    „DNA wurde auch dem Amerikaner Alexander Stuart-Houston (61), einem Großneffen Hitlers, entnommen.“
    Man folgte ihm sieben Tage lang auf Schritt und Tritt, bis er eine Serviette fallen ließ, die laut Mulders zu dem Vetter in Österreich führte.“
    Dazu Wikipedia:

    E1b1b ist die häufigste Y-Haplogruppe unter Äthiopiern, Somali, Einwohnern Eritreas und bei nordafrikanischen Berbern und Arabern. Sie ist die dritthäufigste Haplogruppe in Europa.[6] Sie kommt auch in hoher Dichte im Nahen Osten vor, von wo aus sie sich in den Balkan und den Rest Europas verbreitete.

    Ich frage:
    (1) Worin besteht der eigentliche Informationsgehalt der Nachricht oder angeblich zugrunde liegenden „Studie“, insbes. angesichts der o.a. Information, dass E1b1b „dritthäufigste Haplogruppe in Europa“ ist?
    (2) Welche(r) Wissenschaftler führte die angebliche „Untersuchung“ durch?
    (3) Ist es ethisch, mittels verdeckter Methoden an DNA-Proben von einem ahnungslosen Menschen zu gelangen?
    (4) Wie zuverlässig ist es, das Erbgut eines Verstorbenen, von dem es keine Überreste mehr gibt, anhand von Proben von entfernten Verwandten zu ermitteln?
    (5) Sofern tatsächlich eine Studie basierend auf Laborergebnissen beruht, wie wahrscheinlich ist es dann, dass ein Wissenschaftler die Fragestellung interessant finden und diese Studie replizieren wird?
    (6) Solange nicht ein Wissenschaftler die angebliche Studie repliziert und die Ergebnisse in einer redaktionell betreuten Fachzeitschrift publiziert hat, kann man denn jetzt von „wissenschaftlichen Erkenntnissen“ sprechen?
    (7) Wie behandeln überhaupt Genetiker die Rohdaten über z.B. eine Haplogruppe, um belastbare Erkenntnisse über Abstammungslinien u. Populationsgenetik zu gewinnen?
    Ich bin ein Niemand, wenn ich ein Blog bei Blogspot einrichte und diese Fragen stelle, guckt kein Schwein. Sie, lieber Dr. Maier, verfügen hier über eine Plattform und ein Sprachrohr, und ihre Stimme hat Gewicht. Ich denke, ein eigenständiger Beitrag zu dieser Thematik wäre angebracht.
    Die aktuellen Schlagzeilen sind Wasser auf die Mühlen von Fanatikern, Verrückten, und Verschwörungstheoretikern. Durch die Übernahme auf Mainstream-Medien wird jetzt auch die Allgemeinheit verdummt. Es ist meiner Ansicht nach die Pflicht von Fachleuten, dem entgegenzutreten.

  13. Sing Sing,
    zwei Anmerkungen:
    1. Ich achte darauf, dass die Kommentare zu meinen Artikeln wenigstens entfernt etwas mit dem Thema des jeweiligen Blogposts zu tun hat.
    2. Oben steht, dass es hier eine Blogpause gibt. Die wird für die Berichterstattung vom EMBO-Meeting Anfang September unterbrochen, aber nicht durch Wunschartikel.
    Das Thema scheint Sie zu interessieren und emotional anzusprechen. Ideale Voraussetzungen um ein eigenes Blog anzufangen. Ich persönlich finde WordPress angenehmer als Blogspot. Wie das geht habe ich ja in meinem letzten Artikel schon beschrieben.
    Gruss

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