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Räumliche Proteomik

Barbara Schick,

Proteom einzelner Zellen im Gewebekontext verstehen

Durch einen neuen Ansatz des Forschungsteams um Matthias Mann, Direktor am Max-Planck-Institut für Biochemie, ist es möglich, die Proteinzusammensetzung einzelner Zellen mit Blick auf die Umgebung der Zellen zu analysieren. Durch die Kombination zweier Methoden gelang es den Forschenden, das Proteom einzelner Zellen funktionell mit hoher räumlicher Auflösung zu erfassen.

Gewebe bestehen aus vielen verschiedenen Zelltypen, die jeweils spezifische Funktionen erfüllen. Auch innerhalb einer solchen Zelltypkategorie hängt die Funktion jeder einzelnen Zelle jedoch davon ab, in welcher Umgebung sie sich befindet, also beispielsweise ob sich Blutgefäße in ihrer Nähe befinden, oder welche anderen Zellen um sie herum sind. Gibt es viele nutzbare Nährstoffe? Wie viel Sauerstoff steht der Zelle zur Verfügung? Welche hormonellen Signale wirken auf sie ein?

Dieser Zusammenhang zwischen Funktion und Ort ist in der Leber besonders ausgeprägt. Die Leber, als das zentrale Stoffwechselorgan des Körpers, besteht zu 85 % aus einem Zelltyp, den sogenannten Hepatozyten. Diese Zellen erfüllen diverse Aufgaben des Stoffwechsels, wie zum Beispiel die Speicherung von Glukose oder auch die Entgiftung des Blutes. Bei diesen Stoffwechselprozessen sind die jeweiligen Proteine innerhalb der Zellen von entscheidender Bedeutung. Bislang war es nach Institutsangaben noch nicht möglich, das Proteom einzelner Leberzellen mit Blick auf die direkte Umgebung der Zellen zu messen und darzustellen. Das Forschungsteam um Prof. Dr. Matthias Mann, Direktor am MPI für Biochemie, entwickelte 2022 die Methode „Deep Visual Proteomics“, um das Proteom verschiedener Zelltypen zu bestimmen. Während der Analyse mit Deep Visual Proteomics werden nach der Entnahme einer Gewebeprobe Zellen eines Typs identifiziert, extrahiert und in bestimmte Gruppen sortiert. Anschließend werden sie mittels Massenspektrometrie auf ihre Proteinzusammensetzung hin analysiert.

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„In unserer neuen Studie haben wir zwei Welten zusammengebracht. Wir haben die sogenannte Single-Cell Proteomics mit der räumlichen Auflösung von Deep Visual Proteomics kombiniert und so einen neuen Ansatz für die Einzelzellproteomik mit räumlicher Auflösung geschaffen. Der neue Ansatz, Single-Cell Deep Visual Proteomics, erlaubt uns nun zum ersten Mal, mehr als zweitausend verschiedene Proteine einzelner Zellen in intaktem Gewebe und damit auch mit räumlicher Auflösung messen zu können“, erklärt Florian Rosenberger, Erstautor der aktuellen Studie. „Damit sind wir nun in der Lage, hunderte Stoffwechselwege genau zu lokalisieren“, so Rosenberger weiter. Hieraus können nun Proteinlandkarten erstellt werden, die dabei helfen, die Mechanismen von Gesundheit und Krankheit besser zu verstehen.

Matthias Mann und Florian Rosenberger
Prof. Dr. Matthias Mann (links) und Florian Rosenberger, Erstautor der Studie. Bild: Tamara Bäßler/MPI für Biochemie © Tamara Bäßler/MPI für Biochemie

Durch die Kombination der beiden bestehenden Methoden konnten die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen auch aufzeigen, dass benachbarte Zellen teils deutliche funktionelle Unterschiede aufweisen. Bislang konnten solche Unterschiede nur für einige wenige Proteine gezeigt werden. Dieser neue Ansatz kann helfen, komplexe Gewebe, wie Tumore, besser zu verstehen. Damit könnten nun auch einzelne Zellen und die Mechanismen identifiziert werden, die beispielsweise zu Resistenzen in Krebstherapien führen.

„Wir erreichen ein historisches Neuland mit der ersten Einzelzell-Proteomik-Analyse, die direkt im Gewebekontext durchgeführt werden kann und der Erkenntnis, dass dieselben Zelltypen tatsächlich ganz unterschiedliche Tätigkeiten ausführen, abhängig davon, wo sie sich befinden. Wir sind davon überzeugt, dass wir bereits in wenigen Jahren fast das komplette Proteom einer Zelle, mit mehr als 10000 Proteinen in nur wenigen Minuten, messen können“, sagt Matthias Mann abschließend.

Publikation:
Florian A. Rosenberger, Marvin Thielert, Maximilian T. Strauss, Lisa Schweizer, Constantin Ammar, Sophia C. Mädler, Andreas Metousis, Patricia Skowronek, Maria Wahle, Katherine Madden, Janine Gote-Schniering, Anna Semenova, Herbert B. Schiller, Edwin Rodriguez, Thierry M. Nordmann, Andreas Mund & Matthias Mann: Spatial single-cell mass spectrometry defines zonation of the hepatocyte proteome. Nature Methods (2023); https://doi.org/10.1038/s41592-023-02007-6

Quelle: Max-Planck-Institut für Biochemie

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