23. Arbeitstagung Mikromethoden in der Proteinchemie 28. Juni - 30. Juni 2016 Zeche Zollern Dortmund www.arbeitstagung.de Liebe Kolleginnen, liebe Kollegen, Die Fortschritte in der Proteinanalytik werden seit einigen Jahren geprägt von der Massenspektrometrie. In beeindruckender Weise haben technische Verbesserungen den wissenschaftlichen Fortschritt mitbestimmt. Eine maximale Leistungsfähigkeit in Proteomics wurde mit den beiden Rohfassungen des humanen Proteoms gezeigt. Den 20.300 gen-codierten Proteinen wurden ca. 18.000 MS-Zuordnungen gegenübergestellt. Die nachfolgende Diskussion der Resultate war ernüchternd, da aufgrund verschiedener Aspekte eine signifikante Zahl an falsch-positiven Proteinen enthalten ist. Hinter der aufmerksamkeitsheischenden Benennung des humanen Proteoms steckt sehr wohl eine tolle Leistung. Die äußerst schwierige Bestimmung von Proteinen im großen Maßstab stößt mehrfach auf Grenzen: seien es die biologischen Rahmenbedingungen - wie groß ist das humane Proteom?, oder die bioinformatische Auswertung – in welchen Grenzen ist die Interpretation immenser Datenmengen korrekt? Abundanz, Proteoformen, posttranslationale Modifikationen – es gibt viele Gründe, welche die Arbeit mit Proteinen spannend und schwierig machen. Betrachtet man demgegenüber eine Einzelanalyse wie z.B. bei den Biotherapeutika, sieht man, dass mit den gleichen analytischen und biochemischen Werkzeugen gänzlich andere Ziele bearbeitet werden müssen. Die Analyse eines Antikörpers oder ADCs ist höchst aufwendig trotz definierter Herstellung und hocheffizienter Reinigung. Bereits dieses einzelne Molekül wird aufgrund von Oxidation und anderen Einflüssen in vielen Varianten vorliegen. Protein- und Proteom-Analysen haben die Gemeinsamkeit, dass nur über Qualität aussagekräftige Resultate erzielt werden können. Die Arbeitstagung möchte auch dieses Jahr wieder einen Beitrag zum qualitativen Standard der Protein-Analytik leisten. Das Programm bietet den Teilnehmern vielerlei Hintergründe zu den Methoden und Techniken; Sie bekommen instrumentelle Details von den Herstellern und auch Erfahrungsberichte von Anwendern angeboten. Interessante Sprecher werden für weiterführende Diskussionen bereit stehen. Und für ein angenehmes Ambiente auf der Zeche Zollern während der Tagung ist vom Organisationsteam gesorgt. Wir freuen uns darauf, Sie in Dortmund zur 23. Arbeitstagung begrüßen zu dürfen, Roland Kellner, Merck, Darmstadt Friedrich Lottspeich, Stockdorf Helmut E. Meyer, ISAS Dortmund Albert Sickmann, ISAS Dortmund Dienstag, 28. Juni 2016 ab 10.00 h Registrierung 10.30 h Begrüßung F. Lottspeich Eröffnungsvortrag 10.45-11.45 h Das Mikrobiom des Menschen J. Bandow 11.45-12.15 h BioInfra.Prot – „Service-Center Bioinformatics for Proteomics” M. Eisenacher 12.15-12.30 h Pause 12.30-14.00 h Vendor Seminar I&L Biosystem, AU Sponsor, Seminarraum 1 14.00-14.15 h Pause Methodische Grundlagen 14.15-15.00 h Probenvorbereitung S. Lehr 15.00-15.45 h Chromatographie 15.45-16.15 h Kaffeepause 16.15-16.45 h Elektrophorese 16.45-17.15 h Massenspektrometrie B. Warscheid 17.15-17.45 h Elektrochemische Detektion J.-P. Chervet Ab 18.00 h Doktors Office R. Bischoff R. Westermeier R. Westermeier ab 19.30 h Speakers Dinner im Pferdestall Mittwoch, 29. Juni 2016 Imaging 09.00-09.45 h Massenspektrometrisches Imaging B. Spengler 09.45-10.30 h Massenspektrometrisches Imaging in der Klinik 10.30-11.00 h Pause 11.00-11.45 h Moderne lichtmikroskopische Methoden 11.45-12.15 h Kryo-Elektronen-Mikroskopie/ Tomographie 12.15-12.30 h Pause 12.30-14.00 h Parallele Vendor Seminare Waters, AU Sponsor, Seminarraum 1 Bruker, AU Sponsor, großer Saal 14.00-14.15 h Pause A. Walch M. Spitaler J. Plitzko Contest I 14.15-15.00 h MS-Imaging P. Khamehgir-Silz/ B. Beine Nachwuchspreis zur Proteinanalytik 15.00 h Eröffnung F. Lottspeich/ K. Stühler 15.10-15.20 h Ein radikal anderer Cross-linker - im positiv negativen Sinne – für die strukturelle Proteomik 15.20-15.30 h „Charakterisierung Makromolekularer Komplexe mit Größenausschlusschromatographie und SWATH-basierter Massenspektrometrie C. Hage M. Heusel 15.30-15.40 h qPerS-SID: Eine massenspektrometrische Methode zum quantitativen Nachweis von Cystein-Persulfiden 15.40-15.50 h Interaktionsstudien von FNT-Kanälen mittels massenspektrometrischer Methoden 15.50-16.00 h Charakterisierung der Expression von klinisch J. Mueller bedeutsamen Transportern in humanem Darmgewebe mittels targeted und shotgun proteomics 16.00-16.10 h Massenspektrometrie-basierte quantitative Phosphoproteomik in der pharmakologischen Arzneimittelforschung 16.10-16.20 h Proteomanalyse der symbiotischen Stickstofffixierung in Pflanzenwurzeln 16.20-16.30 h Molekulare Effekte moderner Strahlentherapie auf Proteom und Phosphoproteom 16.30-16.40 h Determination of Gas Phase Free Energies of Y. Yefremova Protein-Protein Interactions by Ion Mobility Mass Spectrometry 17.15-18.15 h S. Longen B. L. R. Ruprecht Zeche Zollern LIVE Parallelveranstaltung 17.15-18.15 h 18.30 h ab 18.45 h Mitgliederversammlung der DGPF Verleihung der Nachwuchspreise FEST J. Lorenz B.Thal M. Winter Donnerstag, 30. Juni 2016 Biotherapeutika 09.00-09.45 h Therapeutische Proteine S. Jaekel 09.45-10.30 h Charakterisierung von Biosimilars 10.30-11.00 h Pause 11.00-11.45 h Therapeutische Antikörper - Methoden zur Ermittlung von Qualitätsattributen (CQA) D. Reusch 11.45-12.15 h Massenspektrometrische Methoden für die Analyse von Glykanen und Glykopeptiden M. Wuhrer 12.15-12.30 h Pause 12.30-14.00 h Vendor Seminar Thermo, AU Sponsor, großer Saal 14.00-14.15 h Pause U. Lewandrowski Contest II 14.15-15.00 h De-Novo Sequenzierung unbekannter Peptide B. Blank-Landeshammer/ I. Feldmann Abschlussvortrag 15.00-16.00 h Top-Down Proteomics Ende N. Kelleher Conteste 2016 1. Maldi Imaging von Lipiden und Peptiden Die bildgebende MALDI-Massenspektrometrie (MALDI Imaging) liefert Informationen über die räumliche Verteilung von Molekülen in einem biologischen Gewebe. Mithilfe der Phospholipid- und Proteinzusammensetzung lassen sich unterschiedliche Gewebetypen und Gewebebereiche detailliert charakterisieren, ohne dass zuvor einzelne Zielmoleküle chemisch markiert oder Gewebestrukturen histologisch angefärbt werden müssen. Änderungen in der Phospholipid- und Proteinzusammensetzung reflektieren dabei häufig Änderungen des metabolischen Zustandes des Gewebes und beschreiben damit zum Beispiel die Eigenschaften und räumlichen Verteilungen von Tumoren und Metastasen. Auf der Proteinebene lassen sich räumliche Informationen und eine valide Identifizierung insbesondere über einen lokalisierten enzymatischen Verdau und anschließende bildgebende MALDI-Massenspektrometrie erreichen. Die Aussagekraft der bildgebenden Massenspektrometrie hängt insbesondere von der räumlichen, aber auch der massenspektrometrischen Auflösung und Genauigkeit des verwendeten Systems ab. Der Contest hat zum Ziel, die räumlichen Verteilungen von Phospholipiden und Proteinen in Maushirn-Gewebeschnitten zu charakterisieren. Nähere Informationen werden mit den Proben zur Verfügung gestellt. Die Resultate sind bis Ende Mai 2016 einzureichen. 2. De-Novo Sequenzierung unbekannter Peptide Die Massenspektrometrie stellt ein leistungsstarkes Instrument zur Untersuchung von Proteinen dar. In der „bottom-up“ Proteomik werden in einem ersten Schritt durch einen enzymatischen Verdau aus Proteinen Peptide generiert. Durch die Fragmentierung der Analyten im Massenspektrometer ergibt sich daraus ein spezifisches Ionenchromatogramm. Diese Technik macht sich die Proteomik zu Eigen, um Informationen aus komplexen Proteinproben zu gewinnen. Aus der Kombination von Vorläufer- und Fragmentionenmassen lassen sich – in der Regel durch eine Datenbanksuche – Peptide identifizieren und den entsprechenden Proteinen zuordnen. Stammt die Probe jedoch von einem unbekannten oder nicht annotierten Organismus, stehen häufig unzureichende oder keinerlei Datenbankinformationen zur Verfügung. An diesem Punkt können die Peptide nicht auf dem konventionellen Weg identifiziert werden. Eine der wenigen Möglichkeiten dennoch die Sequenz zu ermitteln, stellt die manuelle oder algorithmenbasierte De-Novo Peptid-Sequenzierung dar. Der Contest hat zum Ziel, aus einer unbekannten Probe für 30 synthetische Peptide die exakten Sequenzen zu bestimmen. Nähere Informationen werden mit den Proben zur Verfügung gestellt. Die Resultate sind bis Ende Mai 2016 einzureichen. Dienstag, 28. Juni 2016 Seminarraum 1 12:30 – 14:00 h Reproducible protein sample preparation from small amount of clinical specimens for proteomic studies Tiannan Guo 1, Ruedi Aebersold 1,2 1. Department of Biology, Institute of Molecular Systems Biology, ETH Zurich, Switzerland 2. Faculty of Science, University of Zurich, Zurich, Switzerland Reproducible and efficient extraction of proteins from small amount of clinical specimens is the first step for protein-based measurements in clinical studies. In this talk, we will discuss recent progresses in developing various versions of pressure cycling technologies (PCT) for reproducible protein extraction prior to their mass spectrometric analyses. Protein extraction is followed by proteolytic digestion and the analysis of the resulting peptide samples by the highly reproducible technique SWATH-MS. The PCT-SWATH technology is broadly applicable to different types of clinical samples. The tissue types we have processed included cancer cells, biopsy-level fresh frozen tissues, formalin-fixed, paraffin-embedded (PPFE) tissues, and various types of blood samples. We will also demonstrate the quantitative performance of the method on the thousands of proteins measured from each sample. Molekulare Einblicke in den Multikomponentenkomplex der Nisin Biosynthese. Jens Reiners, Institut für Biochemie, Heinrich Heine Universität, Universitätsstraße1, 40225 Düsseldorf Stöchiometrie und in-vitro Assemblierung von Multikomponentenkomplexen stellt eine Herausforderung für die Analytik dar. Mithilfe einer Kombination von multi-angle light scattering und Gelfiltration (MALS-SEC) können diskrete Molekülkomplexe analysiert werden. Hierbei wird der hydrodynamische Radius bestimmt, wodurch das Molekulargewicht und somit der oligomere Zustand der Proteine ermittelt werden kann. Für ein besseres Verständnis der Interaktion ist die Strukturaufklärung des Komplexes aber sehr wichtig. Jedoch sind Multikomponentenkomplexe meist sehr labil und kristallisieren nur schlecht. In vielen Fällen konnten jedoch die Strukturen der Einzelkomponenten gelöst werden. Mithilfe von zusätzlichen Strukturinformationen aus small-angle X-Ray scattering (SAXS) Experimenten können diese zu einem in-silico Komplex zusammen gesetzt werden.In diesem Vortrag werden diese Techniken am Beispiel der Biosynthese des Lantibiotikums Nisin verdeutlicht. Nisin ist ein von Lactococcus lactis sekretiertes Peptid, welches insbesondere gegen Gram-positive Bakterien wirkt. Besonderheiten von Nisin sind spezielle dehydratisierte Aminosäuren sowie (Methyl)-Lanthioninringe die namensgebend für diese Art von Peptiden sind. Ebenso sind die (Methyl)-Lanthioninringe verantwortlich für die antimikrobielle Aktivität von Nisin. Diese Modifikationen werden von speziellen Enzymen in einem Multikomponentenkomplex katalysiert Mittwoch, 29. Juni 2016 Seminarraum 1 12.30 - 14.00 h Ion Mobility Supported Acquisition Techniques Dr. Marc Kipping Waters GmbH Eschborn Advances in Targeted Omics Quantitation Using a Novel Scanning Quadrupole DIA Method Dr. Hans Vissers Waters Manchester UK Mittwoch 29. Juni 2016 grosser Saal 12:30 – 14:00 h Are you interested in innovation? Annette Michalski, Arndt Asperger Join us for a lunch session to discuss the novel workflows and the latest advances in mass spectrometry instrumentation. We will share insights into Bruker’s MALDI imaging applications and QTOF technology for quantitative proteomics. Welcome! Donnerstag, 30. Juni 2016 grosser Saal 12.00 - 13.30 h Second Generation Parallel Reaction Monitoring For Targeted Proteomics Dr. Sebastien Gallien Thermo Fisher Scientific Targeted analyses using parallel reaction monitoring (PRM), performed on high resolution and accurate-mass (HRAM) quadrupole-orbitrap mass spectrometers, present the selectivity and sensitivity to confidently quantify peptides in complex samples. The internal standards (IS) used for isotope dilution quantification were recently leveraged to actually drive the acquisition (“internal standard triggered-PRM”, IS-PRM), thus increasing the scale of screening experiments while ensuring high data quality. The use of the IS-PRM technique has been further investigated in additional contexts, including post-translational modifications, accurate quantification experiments, and fast liquid chromatographic separations. OMICS Applikationen und neues von der ASMS 2016 Dr. Patrick Pankert Thermo Fisher Scientific Reagenzien für die Massenspektrometrie Dr. Geraldine Kolter Thermo Fisher Scientific Nachwuchspreis Ausschreibung Die 23. Arbeitstagung „Mikromethoden in der Proteinchemie“ lädt alle Diplomanden, Doktoranden und Post-Docs (max. Alter: 33 Jahre) ein, sich für den Nachwuchspreis zu bewerben. Unter den eingesendeten Beiträgen werden acht Arbeiten ausgewählt, welche zur Präsentation im Rahmen der Arbeitstagung nach Dortmund eingeladen werden. Die beste Arbeit wird mit einem Iphone 6S prämiert. Beiträge einreichen Eine deutsch-sprachige Beschreibung der methodischen Protein-Arbeit soll auf maximal einer DIN A4 Seite zusammengefasst werden (sowie der CV auf einer Seite) und bei den Organisatoren unter folgender Adresse eingereicht werden: Dr. Friedrich Lottspeich Peter-Dörfler-Str. 4 82131 Stockdorf Tel: + 49 (0) 1727285698 Email: [email protected] Einsendeschluss ist der 1. Juni 2016 Christoph Hage1, Mathias Schäfer2, and Andrea Sinz1, 1 Institut für Pharmazie, Universität Halle-Wittenberg, 2 Institut für organische Chemie, Abteilung Massenspektrometrie, Universität zu Köln Ein radikal anderer Cross-linker - im positiv negativen Sinne – für die strukturelle Proteomik Die Kombination von „Cross-linking”- und “Labeling”- Experimenten mit Massenspektrometrie (MS) hat sich in den letzten Jahren zu einer bedeutenden Methode der strukturellen Proteomik entwickelt. So können Einblicke in die Topologie von Proteinen und Proteinkomplexen sowie deren Interaktionen erhalten werden. Unter Cross-linking versteht man in diesem Zusammenhang die kovalente Quervernetzung von Aminosäuren, kombiniert mit anschließender Proteolyse und einer massenspektrometrischen Analyse. Meist werden Lysingruppen quervernetzt, aber auch Thiol- oder Carboxylgruppen können zur Reaktion gebracht werden. Photoreaktive Diazirine und Benzophenone können zudem unspezifische Vernetzungsreaktionen eingehen und liefern einen Zugang zu hydrophoben Aminosäuren und Liganden. Durch Einführung weiterer Attribute in den Cross-linker, wie z.B. Affinitätstags, oder Isotopenmarkierungen können den Reaktionsprodukten zusätzliche Eigenschaften aufgeprägt werden. Ist das Reagenz zudem noch MS-spaltbar wird die Identifizierung vernetzter Peptide aus den komplexen Reaktionsmischungen maßgeblich erleichtert. Der von uns synthetisierte, bifunktionelle, aminreaktive Cross-linker TEMPO-Bz, enthält sowohl eine TEMPO (2,2,6,6-Tetramethylpiperidin-1-oxy), als auch eine Benzylgruppe (Bz). Dieses neuartige Reagenz weist eine spaltbare NOC-Bindung auf, so dass Dubletts in MS/MS- Spektren für die zuvor vernetzten Peptide erhalten werden. Somit wird die automatisierte Zuordnung vor Cross-linking- Produkten enorm erleichtert. Bei der Spaltung können jedoch zwei unterschiede Verläufe in (+)-ESI- Experimenten auftreten, die in (-)-ESI- Experimenten nicht zu erwarten sind. Wir konnten zeigen, dass in (-)-ESI-MS- Experimenten nur die radikalische Spaltung des Cross-linkers beobachtet wird und so eine Kombination von nicht-radikalischer und radikalischer Fragmentierung der Peptidketten erhalten wird.1 Dies ermöglicht daher auch die Diskriminierung der Isomere Leucin und Isoleucin. Somit können wir einen neuen, spaltbaren Crosslinker vorstellen, dessen außergewöhnliche Eigenschaften sowohl eine automatisierte Auswertung ermöglichen, als auch zwei komplementäre Fragmentierungen (CID- und ETD- artige) kombiniert in einem einzigen Experiment liefert. 1Hage, Ch. et al., Dissociation Behavior of a TEMPO-Active Ester Cross-linker for Peptide Structure Analysis by Free Radical Initiated Peptide Sequencing (FRIPS) in Negative ESI-MS, in press Moritz Heusel, Institut für Molekulare Systembiologie, ETH Zürich, Schweiz „Charakterisierung Makromolekularer Komplexe mit Größenausschlusschromatographie und SWATH-basierter Massenspektrometrie“ Hintergrund Seit der Sequenzierung des humanen Genoms konnten nur wenige Phänotypen direkt anhand der Genomsequenz erklärt werden. Eine weitere wichtige und initial unterschätzte Dimension der Komplexität eines Zellsystems sind die vielfältigen Interaktionsmöglichkeiten der Genprodukte (Proteine) untereinander und mit anderen Teilen der Zelle, mit teils drastischen Auswirkungen auf das Funktionsspektrum der beteiligten Proteine. Folglich besteht ein Hauptziel der modernen biologischen Forschung darin, das Ausmaß und die Funktion der Komplexbildung, besonders im Hinblick auf die Funktion der beteiligten Proteine, zu untersuchen. Methode Die im Rahmen meiner Doktorarbeit entwickelte Methode SEC-SWATH-MS ermöglicht es, mit hoher Genauigkeit makromolekulare Komplexe zu charakterisieren (Siehe Abbildung 1). Hierbei werden makromolekulare Komplexe unter milden Bedingungen aus dem Zellsystem isoliert, mit hochauflösender Größenausschlusschromatographie (size exclusion chromatographie, SEC) aufgetrennt und die in den gesammelten Fraktionen enthaltenen Proteine anhand von SWATH-MS quantifiziert. SWATH-MS ist eine Implementierung der sogenannten „datenunabhängigen Messung“ (Data-independent Acquisition, DIA) in der massenspektrometrie-getützten Proteomanalyse. Im Gegensatz zu herkömmlichen LC-MS-Messmethoden werden bei DIA-MS alle Peptidionen fragmentiert und alle entstehenden Fragmentionensignale gespeichert. Die Detektion und Quantifizierung einzelner Peptid-ionen erfolgt jedoch erst nach der eigentlichen Messung anhand empirisch bestimmter „Peptidionen-koordinaten“ und extraktion der entsprechenden Signale aus den hochkomplexen MS-Daten-„karten“. Anhand der Fragmentionensignale können Peptide (und damit Proteine) besonders präzise und konsistent und mit hoher Sensitivität über viele Proben hinweg quantifiziert werden. Als Resultat können sehr genaue Elutionsprofile der Peptide über die Dimension der SEC-Fraktionen rekonstruiert und Protein-Elutions-Bereiche anhand ko-eluiernder Peptide detektiert werden. Mit dem Wissen der Elutionsbereiche von Referenzproteinen bekannter Größe ist es möglich, die Proteinmasse in monomerem oder komplexgebundenem Zustand zu quantifizieren, analog einer „Protein-Masse-Waage“. Rekonstruktion der Protein-Elutionsprofile und gezielte Extraktion der Signale von Komplex-untereinheiten ermöglicht die Detektion und Quantifizierung von Proteinkomplexen. Drei Aspekte sind hierbei besonders vielversprechend: Erstens, die Detektion von etwaigen Komplex-Varianten abweichender Grösse mit potentiell abweichender biologischer Funktion. Zweitens, die Ableitung der Stöchiometrie innerhalb des Komplexes anhand der MS-Signale. Zuletzt, aber nicht minder wichtig: Das Potential diese Verhältnisse über biologischer Perturbationen des zellulären Systems hinweg zu verfolgen und etwaige Dynamik zu erfassen. Sebastian Longen, Institut für allgemeine Pharmakologie und Toxikologie, Uniklinik Frankfurt qPerS-SID: Eine massenspektrometrische Methode zum quantitativen Nachweis von Cystein-Persulfiden Während der letzten Jahre wurden kurzlebige, anorganische Moleküle wie Stickstoffmonoxid oder Sauerstoffradikale als endogen synthetisierte Signalmoleküle mit entscheidender physiologischer und pathophysiologischer Rolle identifiziert. Sie reagieren mit Cysteinresten (Thiolen) von Proteinen und modifizieren diese zu Sulfen-, Sulfin- oder Sulfonsäure bzw. zu Nitrosothiolen. Diese, auch als thiol-basierte Redoxschalter bezeichneten, Modifikationen führen oft zu veränderter Proteinstabilität oder -aktivität und ihnen wird mittlerweile eine ähnlich bedeutende Rolle bei zellulären Signalprozessen zugesprochen wie der Phosphorylierung. Kürzlich wurde Schwefelwasserstoff als ein weiteres Signalmolekül identifiziert, welches Thiole zu Persulfiden (R-S-SH) modifizieren kann und eine große Rolle bei Entzündungen, Ischämie/Reperfusion sowie als Vasodilator spielt. Aufgrund ihrer chemischen Eigenschaften sind Persulfide auf Proteinebene schwierig zu identifizieren. Zum einen besitzen sie eine ähnliche Reaktivität zu elektrophilen Substanzen wie Thiole, was eine Anreicherung mittels Iodoacetyl-Biotin nahezu unmöglich macht. Zum anderen ist eine „Biotin-Switch-Strategie“, bei der zunächst freie Thiole geblockt werden, die gesuchte Cysteinmodifikation durch Ascorbat, DTT oder andere Substanzen entfernt und anschließend biotinyliert wird, im Falle von Persulfiden nicht möglich. Aufgrund Ihrer Struktur (R-S-S-H) würden sie in einem solchen Ansatz zusammen mit Disulfidbrücken (R-S-S-R) angereichert werden. Wir haben eine massenspektrometrische Methode entwickelt (qPerS-SID, quantitative PerSulfide Site IDentification), mit der es möglich ist Persulfide auf Peptidebene nachzuweisen. Hierzu haben wir zunächst sowohl Thiole als auch Persulfide mit Iodoacteyl-Biotin modifiziert und anschließend die Proteine mit Trypsin verdaut. Hierdurch konnten wir mit Streptavidin-Agarose alle Peptide anreichern, die entweder lediglich ein modifiziertes Thiol (R-S-Biotin) oder ein modifiziertes Persulfid (R-S-S-Biotin) aufwiesen. Peptide mit anderen Cysteinmodifikationen wurden nicht biotinyliert und angereichert. Aufgrund der „internen Disulfidbrücke“ von Persulfiden lassen sich diese Peptide nun selektiv von den Agarosebeads mit Reduktanzien wie TCEP eluieren und anschließend mittels LC-MS/MS analysieren. Durch Kopplung dieser Methode mit isotop-basierter Markierung (SILAC) konnten wird zeigen, das sich verschiedene persulfidinduzierende Substanzen stark in ihrer Wirksamkeit unterscheiden. Bioinformatische Analysen zeigen weiterhin, dass die Substanzen Persulfide an Proteinen aller subzellulären Kompartimente induzieren und in viele verschiedene zellulare Prozesse eingreifen. Darüber hinaus treten negativ geladene Aminosäuren gehäuft in räumlicher Nähe zu Cystein-Persulfiden auf. Abschließend konnten wir in einem In-vitro-Ansatz mit Pyruvat-Kinase M2 (PKM2) unsere Proteomdaten bestätigen und zeigen, dass Persulfide an Position C49, C152, C358 und C474 gebildet werden. Hierdurch wird die enzymatische Aktivität der PKM2 inhibiert. Diese Arbeit befindet sich zurzeit in Revision bei der angesehenen Zeitschrift Scientific Reports. Jana Lorenz1, Gary Sawers2, Andrea Sinz1, 1Institut für Pharmazie, Martin-Luther Universität Halle-Wittenberg, 2 Institut für Mikrobiolgie, Martin-Luther Universität Halle-Wittenberg Interaktionsstudien von FNT-Kanälen mittels massenspektrometrischer Methoden FNT-Kanäle (Formiat-Nitrit-Transporter) sind integrale Membranproteine die monovalente Anionen wie Chlorid, Formiat, Laktat, Hydrosulfid sowie größere, organisch geladene Säuren transportieren [1]. Das in E.coli während der gemischten Säuregärung entstehende Formiat wird über den Formiatkanal FocA transportiert. Kürzlich konnte auch die molekulare Identität des Laktattransportes im Malariaerreger Plasmodium falciparum aufgeklärt werden [2]. Der aquaporinähnliche PfFNT (Plasmodium falciparum formate-nitrite transporter) transportiert das durch Glykolyse entstandene Laktat aus dem Zytosol in die parasitäre Vakuole. Durch strukturelle Untersuchungen mittels Röntgenkristallanalyse konnten für FocA zahlreiche Informationen gewonnen werden. Obwohl Kristallstrukturen vorliegen, sind die Mechanismen des Formiat- bzw. Laktattransports in FocA bzw. PfFNT unklar. Zur Identifizierung potentieller Bindungspartner wird das mit einem Histidinaffinitätstag versehene PfFNT mit einem Plasmodienzelllysat inkubiert. Dabei werden transiente Interaktionen mit chemischer Quervernetzung erfasst. Als Quervernetzungsreagenz dient Bis-Sulfosuccinimidylglutarat (BS2G), ein aminreaktiver, homobifunktioneller Cross-linker. Quervernetzungsprodukte werden über massenspektrometrische Analysen identifiziert (ESI-Orbitrap-MS/MS). Potentielle Bindungspartner werden über Label-Free Quantification (LFQ) mit MaxQuant quantifiziert. Ferner werden FocA-Konstrukte hergestellt, bei denen FocA mit unterschiedlichen Affinitätstags (His-, GST-, MBP-Tag) markiert ist. Diese Konstrukte werden mit E.coli-Zelllysaten inkubiert. Die Identifizierung potentieller Bindungspartner erfolgt ebenfalls mit chemischer Quervernetzung in Verbindung mit Massenspektrometrie. So werden Einblicke in potentielle Bindungspartner von FocA und PfFNT erhalten, die zum Verständnis des Laktatund Formiattransportes beitragen können. [1] Wang et al. (2010), Nat. Struct. Mol. Biol. 17, 31-37 [2] Beitz et al. (2015), Nature communications 6:6284 Janett Müller, D. Busch, E. Hammer, U. Völker, A. Fritz und S. Oswald, Universitätsmedizin Greifswald, Abteilung klinische Pharmakologie Charakterisierung der Expression von klinisch bedeutsamen Transportern in humanem Darmgewebe mittels targeted und shotgun proteomics Die Wirksamkeit und Sicherheit der Arzneimitteltherapie wird maßgeblich von den pharmakokinetischen Prozessen der Absorption, Distribution, Metabolisierung und Exkretion (ADME) bestimmt. Neben den bereits gut untersuchten Enzymen der Biotransformation wurden in den letzten Jahren Transportproteine als weitere klinisch bedeutsame Determinanten der genannten Prozesse identifiziert und zum Teil funktionell charakterisiert. Bisher liegen insbesondere für den humanen Darm aber nur wenige Informationen über die quantitativen Verhältnisse dieser Transporter vor1. Dieses Wissen ist jedoch notwendig, um die ablaufenden ADME-Prozesse von Arzneimitteln abschätzen oder gar vorhersagen zu können. Zur proteomischen Analyse stehen verschiedene methodische Ansätze wie targeted oder shotgun proteomics zur Verfügung. Beim Ansatz der targeted proteomics werden gezielt proteospezifische Peptide erfasst, um die entsprechenden Proteine über Kalibrationskurven absolut quantifizieren zu können. In diesem Rahmen haben wir eine LC-MS/MS Methode2 entwickelt und nach internationalen Richtlinien validiert, die die simultane Quantifizierung von 27 Peptiden für 20 humane Transporter ermöglicht. Als interne Standards für jeden Analyten werden isotopenmarkierte Peptide verwendet. Die Messungen erfolgen dabei im scheduled multiple reaction monitoring (sMRM), wobei jeweils drei Übergänge je Peptid detektiert werden. Im Gegensatz dazu erlaubt der shotgun proteomics-Ansatz3 eine globale Proteomanalyse, sodass sich ein größerer Teil des Proteoms erfassen lässt. Mittlerweile sind auch Methoden zur absoluten Quantifizierung mittels shotgun proteomics beschrieben4, aber nur wenige Studien vergleichen die Quantifizierung mittels targeted und shotgun proteomics. Aus diesem Grund sollen im Projektverlauf humane Darmproben mit beiden proteomischen Ansätzen vermessen und Transportproteine quantifiziert werden, sodass die Ergebnisse beider Methoden verglichen werden können. Zur Anreicherung der Transporter wird sowohl die gesamte Membranfraktion mittels des ProteoExtractTM Native Membrane Protein Extraction Kits isoliert als auch eine Methode zur Plasmamembranisolation etabliert. Ferner sollen auch Zelllinien in diese Messungen miteinbezogen werden, um deren Transporterprofile mit denen in humanem Gewebe zu vergleichen und so ihre Eignung als in-vitro-Modell zu bestimmen. [1] Drozdzik M. et al.; Protein abundance of clinically relevant multidrug transporters along the entire length of the human intestine; Molecular Pharmaceutics 2014; 11; 3547-3555[2] Gröer C. et al.; LC-MS/MS-based quantification of clinically relevant intestinal uptake and efflux transporter proteins; Journal of Pharmaceutical Biomedical Analysis 2013; 85; 253-261[3] Wiśniewski R. J. et al.; Absolute proteome analysis of colorectal mucosa, adenoma, and cancer reveals drastic changes in fatty acid metabolism and plasma membrane transporters; Journal of Proteome Research 2015; 14; 4005-4018[4] Maaß S. et al.; Methods and applications of absolute protein quantification in microbial systems; Journal of Proteomics 2016; 136; 222-233 Benjamin Lorenz Robert Ruprecht, TUM, Lehrstuhl fuer Proteomik und Bioanalytik Massenspektrometrie-basierte quantitative Phosphoproteomik in der pharmakologischen Arzneimittelforschung Die von Kinasen vermittelte Proteinphosphorylierung von Serin-, Threonin- und Tyrosin-Seitenketten ist eine essentielle, posttranslationale Modifikation, die einen Großteil der physiologischen und krankheitsassoziierten, zellulären Signalverarbeitung steuert. In den letzten Jahren hat sich die Massenspektrometrie-basierte Proteomik zur Kerntechnologie für die großangelegte, explorative und Proteom-weite Untersuchung von Phosphorylierungsvorgängen entwickelt. Aufgrund der geringen Stöchiometrie müssen phosphorylierte Peptide vor der eigentlichen Messung angereichert werden. Zu diesem Zweck wurde eine Methode, die auf einer mit Eisenionen beladenen Metallchelat-Affinitätschromatographie (IMAC) Säule basiert, entwickelt. Dadurch ist es möglich, die Gesamtheit an. Die Methode skaliert linear mit der Menge an geladenem Ausgangsmaterial (50µg-5mg) und zeichnet sich durch eine effiziente Elution der gebundenen Phosphopeptide aus. Nachfolgend wurde sie auf zwei verschiedene Fragestellungen im Kontext der pharmakologischen Arzneimittelforschung angewendet. Um die Hypothese zu untersuchen das der Aktivierungsstatus einer Zellinie die Vorhersage des Wirkstoffansprechens ermöglicht, wurde die globalen Phosphoproteome des „NCI-60“ Zelllinienpanels, einer phramakologisch exzellent karakterisierten Tumorzelliniensammlung, bestimmt. Die ca. 25,000 quantifizierten Phosphopeptide pro Zelllinie gewaehren einen tiefen und funktional relevanten Einblick in die Tumorzellbiologie. Eine Korrelationsanalyse des Wirkstoffansprechens mit der gemessenenen Phosphopeptidabundanz deckte bekannte und neue Sensitivitäts- sowie Resistenzmarker auf. In einer weiteren Anwendung war die Methode Grundlage fuer eine proteomische und phosphoproteomische Untersuchung der Wirkweise des Kinaseinhibitors Lapatinib und der Entwicklung von Resistenz gegen Lapatinib in einer Her2 überexprimierenden Brustkrebszelllinie. Mit > 7,800 quantifizierbaren Proteinen und > 15,000 quantifizierbaren Phosphopeptiden ermoeglichte dieser umfassende, multiproteomische Ansatz eine tiefgehende Analyse der Signalwiederherstellung und gab einen Einblick in die molekularen Konsequenzen der Lapatinib-Resistenzentstehung. Hieraus resultierte die Aufklärung deregulierter, therapeutisch relevanter Zielmoleküle und Phänotypen. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse, dass die quantitative Phosphoproteomik das Potential hat, einen wertvollen Beitrag in verschiedenen Bereichen der präklinischen Wirkstoffforschung zu leisten. Beate Thal, Institut für Pflanzengenetik, Abteilung Pflanzenproteomik, Leibniz Universität Hannover Proteomanalyse der symbiotischen Stickstofffixierung in Pflanzenwurzeln Pflanzensamen aus der Familie der Leguminosen, welche Bohnen und weitere Hülsenfrüchte umfasst, sind sehr proteinreich und wertvoll für die menschliche und tierische Ernährung. Im Gegensatz zu anderen Nutzpflanzen müssen Leguminosen jedoch nicht mit Stickstoff gedüngt werden. Leguminosen sind in der Lage, eine Symbiose mit Rhizobien‐Bakterien einzugehen, die Luftstickstoff fixieren können. In neu gebildeten Pflanzenorganen, den Wurzelknöllchen, werden die Bakterien von der Pflanze mit energiereichen Verbindungen ausgestattet, wohingegen die Bakterien die Pflanze mit Aminosäuren, den Endprodukten der bakteriellen Stickstofffixierung, versorgen. Für diese Symbiose wird der pflanzliche Metabolismus grundlegend umgestaltet. Mitochondrien nehmen dabei eine Schlüsselrolle ein. Zwischen den Stoffwechselwegen der Bakterien und der Mitochondrien gibt es einige Berührungspunkte (Abb. 1, rechts, rot umrahmt). So konkurrieren beide Kompartimente um Substrate, wie zum Beispiel Malat oder Sauerstoff. Die Biochemie dieser Symbiose ist jedoch noch weitgehend unverstanden. Wir haben ein Projekt initiiert, um die Rolle der Mitochondrien im Zuge der Symbiose von Pflanzen mit Rhizobien-Bakterien systematisch aufzuklären. Dazu wurde ein Verfahren etabliert, um aus kleinsten Mengen an Wurzel- oder Knöllchengewebe schonend Mitochondrien zu isolieren. Die gereinigten Organellen wurden nachfolgend mit „Label-free quantitative shotgun“ Massenspektrometrie charakterisiert. Eine vergleichende Auswertung der Ergebnisse ermöglicht erstmals umfassende Einblicke in biochemische Prozesse, durch die die Mitochondrien in die Symbiose eingebunden sind. Das bessere Verständnis des komplexen Zusammenspiels zwischen den symbiotischen Partnern kann auf lange Sicht dazu genutzt werden, den Ertrag von Leguminosen zu erhöhen. Auch ist denkbar, Pflanzen, die nicht zu den Leguminosen gehören, mit der Befähigung auszustatten, eine Symbiose mit stickstofffixierenden Bakterien einzugehen. Abbildung 1: Proteomische Strategie zur Identifizierung mitochondrialer Proteine mit Bedeutung für die Wurzelknöllchen-Symbiose. Links: Vicia faba Pflanze mit Wurzelknöllchen zur Stickstofffixierung. Mitochondrien werden aus unterschiedlichen Geweben isoliert: Wurzeln mit stickstofffixierenden Knöllchen (Fix+ ), Wurzeln mit nicht-stickstofffixierenden Knöllchen (Fix-), gedüngte (N) sowie unbehandelte Wurzeln (0). Mitte: Experimentelle Strategie (oben: „shotgun“ Massenspektometrie, unten: Gel-basierte Techniken) zur Identifikation von mitochondrialen Proteinen, die für die Stickstofffixierung von Bedeutung sind. Rechts: Haupt-Stoffwechselvorgänge und metabolische Berührungspunkte zwischen Bakteroiden und Mitochondrien während der Stickstofffixierung. Martin Winter1,2, Ivana Dokic2, Ramona Mayer1, Uwe Warnken1, Amir Abdollahi2 und Martina Schnölzer1, 1 Funktionelle Proteomanalyse, DKFZ, Heidelberg, 2Translationale Radioonkologie DKFZ, Heidelberg Molekulare Effekte moderner Strahlentherapie auf Proteom und Phosphoproteom Seit dem Jahr 2009 werden im Heidelberger Ionenstrahl-Therapiezentrum (HIT) Patienten mit Partikelstrahlung behandelt. Diese weisen gegenüber herkömmlicher Photonenstrahlung große physikalische Vorteile auf. Photonen zeigen vom Eintritt ins Gewebe ab ein abklingendes Intensitätsprofil, weshalb bei tief liegenden Tumoren nur noch eine geringe Strahlendosis am Zielort wirken kann. Partikel hingegen, zeigen ein invertiertes Intensitätsprofil und ermöglichen so die präzise Bestrahlung tief liegender Tumore, ohne das umgebende Gewebe zu schädigen. Ziel dieser Studie ist es aufzuklären, ob auch auf molekularer Ebene Unterschiede zwischen Photonen- und Partikelstrahlung bestehen. Hierfür wurden Zellen mit Photonen, Protonen und Kohlenstoff-Ionen bestrahlt und die Expression der Proteine sowie die Proteinphosphorylierung untersucht. Die Analyse erfolgte mittels nano-Flüssigchromatographie gekoppelt mit einem hochauflösenden Massenspektrometer. In ersten Experimenten konnte gezeigt werden, dass zwei Stunden nach Bestrahlung keine Änderungen der Protein-Expression erkennbar sind, während hingegen eine große Zahl an Proteinphosphorylierungsstellen durch Bestrahlung reguliert wurden. Deren Hauptfunktionen beinhalten die Aktivierung der DNA-Reparaturmechanismen und die Regulation des Zellzyklus. Der Großteil dieser Phosphorylierungsstellen zeigt eine weitestgehend homogene Regulation zwischen den Strahlenarten. Interessanterweise wurde jedoch für einige Phosphorylierungsstellen eine differentielle Regulation zwischen den Strahlenarten, Photon versus Partikel, gefunden. Um diese Phosphorylierungsstellen zu validieren, zogen wir eine Alternative zu dem „Goldstandard“ Western Blot heran. Wir verwendeten synthetische Peptide ausgewählter Phosphorylierungsstellen mit einer schweren Isotopenmarkierung und konnten damit die erhaltenen Ergebnisse in einem spike-in Experiment bestätigen. Welche molekularen Effekte für diese differentielle Regulation verantwortlich sind und welche zellulären Konsequenzen daraus folgen, ist Teil weiterführender Experimente. Yelena Yefremova ,Proteome Center Rostock, University Medicine Rostock, Rostock, Germany Determination of Gas Phase Free Energies of Protein-Protein Interactions by Ion Mobility Mass Spectrometry In solution, protein-protein interactions are characterized quantitatively by thermodynamic properties like dissociation constants (KD) and Gibbs free binding energies (ΔGs0) at equilibrium. Given that properties of biological molecules depend on the balance between intramolecular interactions and solvation, studying unsolvated protein complexes in the gas phase is important for understanding of intramolecular interactions [1]. We developed a method to directly determine gas phase thermodynamic parameters of non-covalent protein-protein complexes by IMS-MS that allows semi-quantitative characterization of these interactions in the gas phase. First, the interacting partners are mixed in solution in an ESI competitive buffer to form a complex. Next, the complex is introduced into the gas phase via ESI and transferred to an ion mobility cell. Upon separation of the complex from non-complexed constituents by ion mobility drift, dissociation of the complex is directly achieved in the gas phase of the mass spectrometer by raising the transfer collision energy (TCE) in a stepwise manner (2V - 220V). Areas under the signals (AUS) of surviving complex and intensities of the dissociated complex constituents are then recorded and normalized. Dissociation of complexes in the gas phase is unidirectional and irreversible, hence not reaching equilibrium conditions. Thus, gas phase dissociation thermodynamics studied by ESI-IM-MS/MS gives information about total free energies ( , where ` #´ indicates that the term includes 1/ T; see (1)). Taking this into consideration and using normalized AUS values at different TCE voltages relative free energies ( ) of complex dissociations in the gas phase can be calculated: (1) where R is the gas constant (R = 8,314 Jmol-1K-1). The calculated relative free energies ( ) for individual complex dissociation events in the gas phase then can be plotted against TCE voltages and a line can be fitted into the resulting points by linear regression, applying (2), where m is the slope of the fitted line [2]. (2) Extrapolating the resulting line to [TCE] = 0, i.e. the intercept with the y axis, gives the gas phase free energy of the complex dissociation without applied external energy that can be considered as the internal energy of the complex at dissociation. The developed method was applied to calculate values for three closely related protein-protein complexes consisting of Fc parts of immunoglobulins (IgG) and protein G´ derivatives (IgG-Fc• G´ e, IgG-Fc• G´ f, and IgG-Fc• G´ g). Gas phase free energy values derived for these there complexes represent binding strengths of complexes which correlate well with in-solution thermodynamic data. Hence, values provide a rapid and reliable method to characterize protein-protein interactions in the gas phase with very little sample consumption. [1] J. Woenckhaus et al. J. Phys. Chem. B 1996, 101, 847-851 [2] M.M. Santoro and D.B. Bolen. Biochemistry 1988, 27, 8063-8068 Sprecherliste 2016 Julia Bandow Birte Beine Rainer Bischoff Bernhard Blank-Landeshammer Jean-Pierre Chervet Martin Eisenacher Universität Bochum ISAS Dortmund University of Groningen, Niederlande ISAS Dortmund Antec BV, Niederlande Universität Bochum Ingo Feldmann ISAS Dortmund Christoph Hage Universität Halle-Wittenberg Moritz Heusel ETH Zürich Stefan Jaekel Merck, Darmstadt Pegah Khamehgir-Silz Universität Gießen Neil Kelleher Nothwestern University, USA Stephan Lehr Deutsches Diabetes-Zentrum (DDZ) Urs Lewandrowski Sebastian Longen Jana Lorenz Friedrich Lottspeich Janett Mueller Jürgen M. Plitzko Dietmar Reusch Sandoz, Kundl Österreich Uniklinik Frankfurt Universität Halle-Wittenberg Stockdorf Universitätsmedizin Greifswald MPI Martinsried Roche Diagnostics, Penzberg Benjamin Ruprecht TUM Bernhard Spengler Universität Gießen Martin Spitaler MPI Martinsried Kai Stühler Universität Düsseldorf Beate Thal Leibniz Universität Hannover Axel Walch Helmholz Zentrum München Bettina Warscheid Reiner Westermeier Martin Winter Manfred Wuhrer Universität Freiburg Serva, Heidelberg DKFZ, Heidelberg LUMC, Niederlande Firmen Die 23. Arbeitstagung 2016 wird von den folgenden Firmen finanziell unterstützt: BIOZOL / Biomedica Bruker Daltonik GmbH DECODON GmbH Elsevier Gilson international I&L Biosystems IonBench Olink Proteomics Promega GmbH Protagen Protein Services GmbH PPS Shimadzu Deutschland GmbH SCIEX SERVA SunChrom GmbH Thermo Fisher Scientific Toplab Waters Tagungsort Die Arbeitstagung wird im LWL-Industriemuseum Zeche Zollern, Grubenweg 5,44388 Dortmund im Stadtteil Bövinghausen stattfinden Sie erreichen uns: Mit öffentlichen Verkehrsmitteln - Haltestelle "Industriemuseum Zollern" der Buslinie 462 (U-Bahnlinie 47 bis DortmundHuckarde Bushof, dann Bus 462 Richtung Dortmund-Marten bis Haltestelle "Industriemuseum Zollern"), oder - Haltestelle "Bövinghauser Straße" der Buslinie 378 (S-Bahnlinie 1 bis Bochum-Langendreer oder S-Bahnlinie 4 bis Dortmund-Lütgendortmund, dann Bus 378 Richtung Castrop-Rauxel bis Haltestelle "Bövinghauser Straße"; dann noch Fußweg von ca. 1 km oder mit dem Bus 462 Richtung Huckarde bis Haltestelle "Industriemuseum Zollern"), oder - Bahnlinie RB 43 ("Emschertal-Bahn"), Dortmund-Dorsten, bis Bahnhof "DortmundBövinghausen"; von dort ein zehnminütiger Fußweg (Ausgang Bahnsteig Richtung Eisenbahnbrücke, rechts 10 m Merklinder Str., dann schräg links durch Siedlung: Plutostr., Jupiterstr., Rhader Weg schräg links überqueren, Grubenweg). Mit dem Auto A 40 Dortmund - Essen, Abfahrt Dortmund-Lütgendortmund/B235, dann Wegweisern folgen oder A 42 Dortmund - Oberhausen, Abfahrt Castrop-Rauxel, dann B 235 und Wegweisern folgen oder A 45 Dortmund - Frankfurt, Abfahrt Dortmund-Marten, dann Autobahnzubringer Richtung Dortmund-Marten und Wegweisern folgen. Achtung: Bei Fahrten mit einem Auto-Navigations-Leitsystem dieses bitte ggf. auf "Rhader Weg" einstellen, da nicht alle Systeme den Grubenweg richtig programmiert haben. Organisatorisches Für Unterkunft und Verpflegung müssen die Teilnehmer selbst sorgen. Zimmerreservierungen in verschiedenen Preiskategorien sind z.B. online über www.dortmund-tourismus.de/suchen-buchen/unterkuenfte/hotelbuchung.html, oder telefonisch unter Tel.: +49 (0) 231 18999 111 möglich. Die Zimmerbestellung sollte rechtzeitig vor Tagungsbeginn erfolgen. Organisatoren Dr. Roland Kellner Merck KgaA Frankfurter Straße 250 64271 Darmstadt Tel: +49 (6151) 72 72 62 Fax: +49 (6151) 72 90 722 Email: [email protected] Dr. Friedrich Lottspeich Peter-Dörfler-Straße 4 82131 Stockdorf Tel: + 49 (0) 1727285698 Email: [email protected] Prof. Dr. Helmut E. Meyer ISAS Bunsen-Kirchhoff-Straße 11 44139 Dortmund Tel: + 49 (231) 1392-106 Email: [email protected] Prof. Dr. Albert Sickmann ISAS Otto-Hahn-Str. 6b 44227 Dortmund Tel: + 49 (231) 1392-100 Email: [email protected] Hinweise zur Anmeldung Für die Durchführung der Tagung wird ein geringer Beitrag zur Deckung der anfallenden Kosten erhoben. Die Teilnehmerzahl ist aus organisatorischen Gründen limitiert und somit erfolgt die Registrierung gemäß der Verbuchung der Tagungsbeiträge. Der Tagungsbeitrag für Studenten/Doktoranden beträgt 100,- €, für Wissenschaftler/TAs 250,- €. Nach dem 31. Mai 2016 ist eine Rückerstattung dieses Betrages auch bei Nichtteilnahme nicht mehr möglich! Die Anmeldung zur Tagung sollte möglichst elektronisch über die Webseite www.arbeitstagung.de erfolgen. www.arbeitstagung.de
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