Der strukturelle Raum des menschlichen Proteoms ist groß und vielfältig aufgrund des Vorhandenseins verschiedener Proteinvarianten (Isoformen), einschließlich posttranslationaler Veränderungen, Spleißvarianten, proteolytischer Produkte, genetischer Variationen und somatischer Rekombination. So gibt es beispielsweise in einem menschlichen Körper zu einem bestimmten Zeitpunkt aufgrund eines ausgeklügelten Prozesses der somatischen Rekombination und gezielten Mutation mehrere zehn Millionen verschiedene IgG-Moleküle. Darüber hinaus weist ein großer Teil der proteinkodierenden Gene (etwa 80 %) Spleißvarianten auf, die Proteinprodukte unterschiedlicher Größe ergeben. Ebenso wurden im Rahmen verschiedener proteomischer Untersuchungen mehr als hunderttausend posttranslationale Modifikationen festgestellt, und viele Proteine sind zur Aktivierung auf eine präzise Proteolyse angewiesen. Darüber hinaus wurden im Rahmen des 1000-Genome-Projekts etwa 320000 Variationen zwischen Individuen in der Bevölkerung in proteinkodierenden Regionen festgestellt. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die menschliche Vielfalt der 19670 proteinkodierenden Gene durch das Vorhandensein zahlreicher Protein-Isoformen immens erhöht wird.
Spleißvarianten
Alternatives Spleißen ist ein weit verbreiteter Mechanismus für die Bildung von Isoformen. Bei diesem Prozess, der während der Genexpression stattfindet, können die Exons eines Gens in die prozessierte mRNA eingeschlossen oder ausgeschlossen werden. Proteine, die aus alternativ gespleißten mRNAs translatiert werden, weisen daher Unterschiede in ihrer Aminosäuresequenz auf und unterscheiden sich daher oft in ihren funktionellen Eigenschaften.
Die vier wichtigsten Unterarten des alternativen Spleißens:
- Exon-Skipping (Kassetten-Exons) ist die häufigste Form des alternativen Spleißens. In diesem Modus wird das Exon zusammen mit seinen flankierenden Introns aus dem primären Transkript herausgespleißt.
- Alternative Donor Site ist der Typ, bei dem zwei oder mehr Spleißstellen am 3′-Ende eines Exons erkannt werden. Dieser Modus wird auch als alternative 5′-Spleißstelle bezeichnet.
- Als alternative Akzeptorstelle bezeichnet man den Typ, bei dem zwei oder mehr Spleißstellen am 5′-Ende eines Exons erkannt werden. Dieser Modus wird auch als alternative 3′-Spleißstelle bezeichnet.
- Intron-Retention ist der Modus, bei dem ein Intron im reifen mRNA-Molekül bleiben kann.
Abbildung 1. Die wichtigsten Arten des alternativen Spleißens.
Viele Gene kodieren für mehrere Protein-Isoformen (Spleißvarianten) mit alternativen subzellulären Orten, darunter 189 Gene mit sowohl sekretierten als auch membrangebundenen Isoformen. Diese Gene sind von besonderem Interesse. In Abbildung 2 sind die Anteile der verschiedenen Kategorien für alle 19670 Gene dargestellt.
Abbildung 2. Venn-Diagramm, das die Überschneidung zwischen der Anzahl der Gene zeigt, die intrazellulär, membranumspannend oder sekretiert sind oder Isoformen aufweisen, die zu mehr als einer der drei Kategorien gehören.
Posttranslationale Modifikationen
Posttranslationale Modifikationen (PTMs) sind chemische Modifikationen, die eine Schlüsselrolle bei der Funktion eines Proteins spielen, da sie die Aktivität, Lokalisierung und Interaktion mit anderen zellulären Molekülen wie Proteinen, Nukleinsäuren, Lipiden und Cofaktoren regulieren. Sie haben auch die Möglichkeit, die zelluläre Aktivität zu regulieren. PTMs treten an bestimmten Aminosäureseitenketten oder Peptidverknüpfungen auf und werden meist durch enzymatische Aktivität vermittelt. Posttranslationale Modifikationen können in jedem Schritt des „Lebenszyklus“ eines Proteins auftreten.
Einige häufige und wichtige Arten von PTMs:
- Glykosylierung: Hinzufügung von Zuckerketten, entweder am Amidstickstoff an der Seitenkette von Asparagin (N-Glykosylierung) oder am Hydroxylsauerstoff an der Seitenkette von Serin oder Threonin (O-Glykosylierung). Die Liste der Glykoproteine ist lang, und sie können verschiedene Funktionen erfüllen, z. B. bei der Immunantwort (Familie der Immunglobuline), als Strukturmoleküle (Kollagenfamilie), Hormone (HCG, TSH, EPO), Transportmoleküle (Transferrin), Enzyme (alkalische Phosphatase) und Rezeptoren.
- Phosphorylierung: Hinzufügung einer Phosphatgruppe, normalerweise an Tyrosin, Serin, Threonin, Histidin oder Aspartat. Diese Modifikation ist reversibel und kann z. B. Enzyme und Rezeptoren aktivieren bzw. inaktivieren. Ein klassisches Beispiel, bei dem die Phosphorylierung eine sehr wichtige Rolle spielt, ist die Regulierung des Tumorsuppressorproteins p53 und von Proteinen in verschiedenen Signalwegen wie dem RAS-Signalweg und STAT.
- Ubiquitinierung: Das Hinzufügen von Ubiquitin gibt ein Signal für den Abbau, verändert den zellulären Standort oder beeinträchtigt die Aktivität oder Interaktionen.
Andere häufige posttranslationale Modifikationen sind S-Nitrosylierung, Methylierung, N-Acetylierung, Lipidierung, Bildung von Disulfidbindungen, Sulfatierung, Acylierung, Desaminierung usw.
Proteolytische Modifikationen
Nach der Translation werden einige Proteine proteolytisch verarbeitet. Dieser Prozess ist sehr spezifisch, und als Ergebnis der Spaltung einer oder mehrerer Bindungen im Zielprotein durch Proteasen wird die Aktivität des Proteins verändert.
Eine große Anzahl von Proteinen wird als inaktive Vorläufer, so genannte Proproteine, synthetisiert. Um diese Proteine zu aktivieren, muss das Propeptid durch proteolytische Prozessierung entfernt werden. Die Proteolyse der Vorläuferproteine führt zur Regulierung vieler zellulärer Prozesse. Gut untersuchte Proteine, die diesen Prozess durchlaufen, sind Insulin (INS) und Faktor VIII (F8).
Genetische Variationen
Obwohl alle Menschen biochemisch nahezu identisch sind (99,9 %), gibt es große Unterschiede zwischen den Individuen in der Bevölkerung, die auf allelspezifische genetische Variationen in den proteinkodierenden Regionen zurückzuführen sind. Viele der genetischen Variationen befinden sich in nicht-kodierenden Regionen des Genoms, aber einige betreffen auch die Aminosäuren in den proteinkodierenden Teilen eines bestimmten Gens. Auf der Grundlage des 1000 Genomes Project wurden etwa 17800 Gene mit genetischen Variationen beschrieben, die zu Protein-Isoformen führen.
Somatische Rekombination
Somatische Rekombination ist ein Mechanismus der genetischen Rekombination, der nur bei den Immunglobulin- und T-Zell-Rezeptor-Genen vorkommt. Bei diesem Prozess entstehen Immunglobuline und T-Zell-Rezeptoren von hoher Diversität.
Uhlén M et al., Tissue-based map of the human proteome. Science (2015)
PubMed: 25613900 DOI: 10.1126/science.1260419