Erstellung von Proteomkarten: Neue Möglichkeiten zur Web-basierten Annotierung von Proteomdaten mittels GelMap

  • Michael Senkler, Software-Entwickler, Institut für Pflanzengenetik, Leibniz Universität Hannover
  • Prof. Dr. Hans-Peter Braun, Institutsleiter, Institut für Pflanzengenetik, Leibniz Universität Hannover
  • Abb. 1: Features von GelMap: (i) Zuordnung einer beliebigen Anzahlahl identifizierter Proteine pro „spot“, (ii) funktionelle Annotierung aller identifizierten Proteine, (iii) direkter Zugriff auf Kompaktinformationen sowie Links mit umfangreichen Zusatzinformationen
  • Abb. 2: Filteroptionen in GelMap: (i) nach Name, (ii) nach „Accession“ Nummer, (iii) nach Nummerierung auf einem zweidimensionalen Gel.
  • Abb. 3: Workflow zur Erstellung einer Proteomkarte mittels GelMap: (i) Herstellung der Primärdaten (zweidimensionales Proteingel, massenspektrometrische Proteinidentifizierungen), (ii) Prozessierung der Primärdaten mittels geeigneter Software Pakete (iii) Herstellung der GelMap über http://www.gelmap.de/.

Die Proteomanalyse ist eines der wichtigsten Verfahren zur Untersuchung von Lebensvorgängen. Bis heute basiert sie überwiegend auf der Proteintrennung mittels Gelelektrophoresen und nachfolgend auf massenspektrometrischen Proteinidentifizierungen. Hier präsentieren wir eine neue Plattform, „GelMap“ (http://www.gelmap. de/), zur web-basierten Annotierung von Proteomdaten.


Seit Fertigstellung der ersten Genomsequenzierungsprojekte ist bekannt, dass höhere Lebewesen zwischen 10.000 und 50.000 verschiedene Gene enthalten. Auf der Basis der „Ein-Gen-ein- Polypeptid“-Hypothese wird eine entsprechende Anzahl von Proteinen erwartet. Inzwischen wurde jedoch entdeckt, dass, bedingt durch genetische Mechanismen sowie Proteinmodifikationsvorgänge, die Anzahl unterschiedlicher Proteintypen in höheren Lebewesen sogar noch erheblich größer ist. Wie kann eine stoffliche Vielfalt dieser Größenordnung proteinbiochemisch analysiert werden?


Gel-basierte Proteomik


Ein klassisches und bis heute weit verbreitetes Verfahren ist die zweidimensionale Polyacrylamid Gelelektrophorese (2D PAGE). Dabei werden Proteine zunächst in einer ersten Geldimension durch eine „Isoelektrische Fokussierung“ (IEF) aufgetrennt. Anschließend erfolgt in orthogonaler Richtung eine Auftrennung der Proteine nach ihrer molekularen Masse. Mittels dieses Verfahrens können bis zu 10.000 unterschiedliche Proteintypen aufgetrennt werden [1].


Erst seit etwa 10 Jahren sind leistungsstarke Methoden zur systematischen Identifizierung von gelelektrophoretisch aufgetrennten Proteinen verfügbar, die in der Regel auf massenspektroskopischen Verfahren basieren. Endprodukte einer typischen Proteomanalyse sind daher (a) Abbildungen von zweidimensionalen Proteingelen und (b) lange Listen mit identifizierten Proteinen, die mit Hilfe von Nummern und Pfeilen den Protein-„spots“ auf den Gelen zugeordnet sind.


Publikation von Proteomdaten


Wie können diese komplexen Ergebnisse effizient veröffentlicht werden? Ursprünglich wurden alle proteomischen Primärdaten in wissenschaftlichen Originalartikeln präsentiert.

Allerdings sind die Listen der identifizierten Proteine immer umfangreicher, sodass die Primärdaten heutzutage immer häufiger in Form von Zusatzmaterial präsentiert werden, das auf den Webseiten von Fachjournalen eingesehen werden kann. Als Alternative hat sich in jüngster Zeit eine Web-basierte Annotierung von Proteomdaten etabliert.


Dabei sind Proteinspots auf zweidimensionalen Gelbildern direkt mit Informationen zu den jeweiligen Proteinen verknüpft. Zahlreiche Arbeitsgruppen bieten inzwischen Proteinreferenzkarten in Form von verlinkten Gelbildern auf ihren Webseiten an. Darüber hinaus wurden Web-Portale etabliert, über die Proteinreferenzkarten international verknüpft sind, zum Beispiel „World 2D PAGE“ (http:// world-2dpage.expasy.org/list/). Allerdings ließen die bisher verfügbaren Software-Programme zur Erstellung von Proteomreferenzkarten noch zahlreiche Wünsche offen.


Web-basierte Darstellung von Proteomdaten mittels GelMap


GelMap ist ein neues Programm zur Annotierung von proteomischen Originaldaten [2]. Die Erstellung einer Referenzkarte kann dabei ohne technische Vorbereitungen einfach in einem Browser durchgeführt werden. Im Vergleich zu bisher verfügbaren Software-Paketen bietet GelMap zahlreiche zusätzliche Möglichkeiten (Abb. 1): (i) Mehrere Proteine können mit einzelnen Proteinspots verlinkt werden Dies ist insofern bedeutsam, da durch Überlagerungseffekte auf den Proteingelen in fast jedem Fall mehr als ein Protein pro Spot detektiert werden kann.


Mit Hilfe von GelMap ist erstmals eine komplette Annotierung von MS Daten möglich. (ii) Alle Proteine werden auf bis zu drei Ebenen funktionell annotiert. Als funktionelle Kategorien können zum Beispiel metabolische Bereiche, Stoffwechselwege, oder Proteinkomplexe definiert werden. Mit Hilfe eines Seitenmenüs können die funktionellen Kategorien aufgerufen und entsprechende Proteine auf dem Gelbild visualisiert werden. (iii) Durch Klicken auf Spots werden umfangreiche Informationen zu allen Proteinen angeboten.


Dies geschieht in Form von Kompaktinformationen in einem kleinen Rahmen, über den Zugriff auf Detailinformationen in zwei im Hintergrund befindlichen Tabellen (Hyperlinks „more protein details“, „more peptide details“) sowie externe Datenbanken gewährt wird. Zusätzlich bietet die Plattform umfangreiche Suchoptionen mit Autovervollständigung an, um Proteine nach ihren Namen, accession-codes oder nach Nummern auf dazugehörigen Gelbildern einfach und schnell aufzufinden (Abb. 2). Des Weiteren gibt es automatisierte Zugriffsmöglichkeiten über eine Programmierschnittstelle („API“) um die verfügbaren Daten z.B. in Meta-Suchmaschinen zugänglich zu machen.


GelMap Projekte


Die Möglichkeiten der Plattform eröffnen sich am besten durch „Besuch“ bereits erstellter Referenzkarten. Im Rahmen eines Projektes zur Vermehrung von Cyclamen persicum (Alpenveilchen) wurden die Proteome von zygotischen und somatischen Embryonen dieser Pflanze vergleichend untersucht [3]. Identifizierte Proteine sind 30 verschiedenen Stoffwechselwegen in 10 verschiedenen metabolischen Bereichen zugeordnet.


Abundanz- Unterschiede von Proteinen in den beiden untersuchten Fraktionen lassen sich herausfiltern und entsprechende Proteine auf dem Gelbild visualisieren. Ein anderes Projekt hatte die Analyse des mitochondrialen Proteoms der Modellpflanze Arabidopsis thaliana zum Gegenstand [4]. Bei diesem Projekt kam ein spezielles 2D PAGE System zum Einsatz, bei dem in der ersten Geldimension Proteinkomplexe aufgetrennt werden und in der zweiten Dimension die Proteinuntereinheiten der Komplexe.


Einzelproteine können auf Basis ihrer vertikalen Positionierung den Proteinkomplexen zugeordnet werden. Im Rahmen dieses Projektes konnten mehr als 35 verschiedene Proteinkomplexe identifiziert werden.


Erstellung einer eigenen GelMap


Die Plattform läuft komplett serverseitig als Webtool und setzt daher keine Software-Installationen oder Zwangsregistrierung voraus. Benötigt werden nur eine JPEG-Datei des Gels sowie eine vorbereitete Tabelle mit Proteindaten (Abb. 3). Die Datentabelle muss dabei mindestens Koordinaten und Titel der Spots beinhalten, um die Position der Spots auf der Karte darzustellen.


Der Benutzer kann jedoch bis zu 25 weitere frei benennbare Informationsfelder pro Spot angeben. Das Erstellen eines Projektes dauert weniger als eine Minute: Beide Dateien werden über ein Webformular mit einem Titel versehen, optional mit einem Passwort geschützt und auf den Server geladen. Dort werden sie in eine Datenbank geschrieben und der Benutzer erhält den Kurzlink zu seinem GelMap-Projekt, den er dann weitergeben kann, z.B. http://gelmap.de/47.


Mit Hilfe eines gesetzten Administrationspasswortes kann er das Projekt jederzeit wieder löschen, sollte er eine neue Version hochladen wollen. Inzwischen wurden bereits zahlreiche Projekte über das GelMap Portal annotiert. Interessenten können sich mit Fragen gerne an die Autoren wenden.


Literatur


[1] Klose J.: Electrophoresis 30, S142−S149 (2009)


[2] Rode C. et al.: Proteomics 74, 2214−2219 (2011)


[3] Rode C. et al.: Plant Mol. Biol. 75, 305−319 (2011)


[4] Klodmann J. et al.: Plant Physiology 157, 587−598 (2011)


▶Kontakt


Michael Senkler


Tel.: 0511/7623995


senkler@genetik.uni-hannover.de


 


Prof. Dr. Hans-Peter Braun


Tel.: 0511/7622674


braun@genetik.uni-hannover.de


Institut für Pflanzengenetik Leibniz Universität Hannover Hannover

Autor(en)

Kontaktieren

Leibniz Univers. Hannover
Herrenhäuser Str. 2
30419 Hannover
Deutschland

Jetzt registrieren!

Die neusten Informationen direkt per Newsletter.

To prevent automated spam submissions leave this field empty.