TY - THES A1 - Bach, Matthias T1 - Massenspektrometrische Analyse der Interaktionen von Protein mit Proteinen und Proteinen mit niedermolekularen Verbindungen T1 - Protein-protein and small molecule-protein interaction analyzed by mass spectrometry N2 - Proteine können aufgrund ihrer biochemischen Vielfalt eine Vielzahl von Interaktionen mit anderen Proteinen oder chemischen Verbindungen eingehen. Im ersten Teil dieser Arbeit wurden Protein-Protein Interaktionen mittels chemischen Quervernetzens untersucht. Das Ziel war, neue und verbesserte Methoden zu entwickeln, um Interaktionsnetzwerke zu erstellen. Im zweiten Teil wurden die Interaktionen von Proteinen mit niedermolekularen Verbindungen untersucht, um Drug Targets zu identifizieren und zu validieren. Die Untersuchung von Protein-Protein Interaktionen mittels Massenspektrometrie (MS) ist eine leistungsfähige Methode, um alle potentiellen Interaktionen eines Proteins nach einer Anreicherung (Co-IP) aus einem Zelllysat zu detektieren. Durch das zusätzliche Quervernetzen dieser Proteine und anschließender MS kann ein Interaktionsnetzwerk erstellt werden, um direkte von indirekten Interaktionen unterscheiden zu können (Topology Mapping). Zur Methodenetablierung wurden kommerzielle Crosslinker und rekombinante Proteine von bekannten Interaktionspartnern mit niedriger Komplexität verwendet. Die beiden Interaktionspartner NPL4 und UFD1 konnten mit dem Crosslinker BS3 erfolgreich quervernetzt und anhand der vernetzten Peptide identifiziert werden. Im nächsten Schritt wurde dieser Arbeitsablauf auf eine Co-IP des Mediatorkomplexes aus Hefe angewendet. Die Probenkomplexität ist hierbei 500 - 1000-fach höher als bei der Verwendung von rekombinanten Proteinen. Nach der erfolgreichen Quervernetzung konnte innerhalb des Komplexes ein Interaktionsnetzwerk erstellt werden. Diese Daten passen zu dem bereits bekannten Modell des Mediatorkomplexes. Interaktionen zu bekannten Interaktionspartnern, wie der RNA-Pol II, konnten aufgrund deren substöchiometrischen Anreicherung nicht identifiziert werden. Aufgrund der genannten Limitationen beim Quervernetzen von Proteinen wurden folgende neue und verbesserte Methoden entwickelt: 1. Verwendung des spaltbaren Crosslinkers (DSSO), der während der Messung selektiv durch niedrige Kollisionsenergie gespalten werden kann, um die Datenbanksuche zu vereinfachen. Die Funktionalität der DSSO-Strategie konnte erfolgreich am Protein Cytochrom C getestet werden. Bei der ersten Fragmentierung wird der Linker gespalten, anschließend können die getrennten Peptide separat fragmentiert werden. Die erzeugten Daten sind mit einer Standarddatenbanksuche kompatibel, was bei gemischten Spektren von zwei Peptiden nicht der Fall wäre. Beim Quervernetzen der rekombinanten Interaktionspartner UBX und p97N mit DSSO konnte der zu bestätigende Crosslink zwischen zwei Lysinen nicht identifziert werden. Grund hierfür könnte eine zu kurze Linkerlänge von DSSO sein. Diese Versuche brachten jedoch einige Limitationen des Ansatzes zum Vorschein, wie die Beschränkung auf die Protease Trypsin, aufgrund der positiven Ladung am C-Terminus und die Notwendigkeit von großen Proteinmengen, da das Spalten des Linkers einen zusätzlichen Intensitätsverlust für die folgende Identifizierung der Peptide mit sich bringt. 2. Da die niedrige Abundanz von quervernetzten Peptiden das Hauptproblem bei deren Identifizierung ist, wurde eine Methode entwickelt, um während der Messung direkt nach diesen niedrig abundanten Spezies zu suchen. Entscheidendes Kriterium hierfür war, dass quervernetzte Peptide zwei C-Termini haben. Diese wurden zur Hälfte enzymatisch mit 18O bzw. 16O markiert und wieder vereinigt. Der resultierende Massenunterschied von 8 Da (4 x 18O) kommt ausschließlich bei zwei quervernetzten Peptiden vor und kann während der Messung direkt gesucht werden. Die vollständige Markierung von Peptiden mit 18O wurde zunächst am Protein Beta-Galaktosidase getestet. Bereits hier stellte sich heraus, dass der enzymatische Rücktausch von 18O zu 16O ein Problem darstellt und die Markierungseffizienz von Aminosäuren beeinflusst wird, die sich C-terminal nach der Spaltstelle befinden. Mit dieser Strategie ließ sich somit keine vollständige Markierung für alle Peptide erreichen, was für diese Strategie essentiell gewesen wäre. 3. Um alle Probleme zu umgehen, die bei der Identifizierung von quervernetzten Peptiden auftreten, wurde eine Methode entwickelt, um quervernetzte Proteine anhand von Profilen nach einer Auftrennung im Polyacrylamidgel (SDS-PAGE) zu identifizieren. Durch das Quervernetzen von Proteinen entstehen zusätzliche Proteinbanden nach einer SDSPAGE, die im Gel nach oben verschoben sind. Alle Proteine in diesen neu erzeugten Bereichen stellen somit potentielle Interaktionspartner dar. Als Modellsystem wurde der Mediatorkomplex verwendet. Er wurde aus einem Zelllysat mittels Co-IP angereichert und anschließend quervernetzt. Aus den mittels LC-MS/MS gemessenen Gelfraktionen wurden Proteinprofile erstellt und miteinander verglichen. Die Intensitätsmaxima der Proteine des Mediatorkomplexes konnten in bestimmten zusätzlichen Fraktionen gefunden werden, was den indirekten Nachweis für eine Interaktion darstellt. Die Funktionalität der Strategie konnte somit bestätigt werden. Ein verbleibender Nachteil ist jedoch die zu geringe Trennleistung von Polyacrylamidgelen. Befinden sich mehr als 50 Proteine in einer Fraktion, können potentielle Interaktionspartner nicht eindeutig zu einer Untereinheit eines Komplexes zugeordnet werden. Im zweiten Teil der Arbeit wurde im Rahmen der Klinischen Forschergruppe 216 (CRU216) Interaktionen von Proteinen mit verschiedenen niedermolekularen Verbindungen massenspektrometrisch untersucht, um potentielle Drug Targets zu identifizieren. Diese Versuche sind vergleichbar mit Co-IP Experimenten, da sich der Arbeitsablauf nur durch die Anreicherung mittels chemischer Verbindung unterscheidet. Hierzu wurden biotinylierte Verbindungen immobilisiert und potentielle Drug Targets aus einem komplexen Zelllysat angereichert. Die Identifzierung der echten Bindungspartner wurde über quantitive Massenspektrometrie erreicht. Dabei wurden die angereicherten Proteine, die an die niedermolekularen Substanzen binden mit einer geeigneten Kontrollanreicherung verglichen. Mit den getesteten α-acyl Aminocarboxamiden konnten verschiedene Proteinkomplexe und interagierende Proteine spezifisch angereichert werden. Hierbei waren die vier Kinasen DNA-PK, ATM, ATR und mTOR besonders interessant, da sie mit onkogenem Signalling und Überlebensmechanismen wie der Hitzeschockantwort in Zellen des Multiplen Myeloms (MM) in Verbidnung stehen. Die Inhibition der DNA-PK, ATM, ATR und mTOR mit α- acyl Aminocarboxamiden stellt somit einen möglichen Therapieansatz dar, wenn er zusammen mit hitzestressauslösenden Inhibitoren verwendet wird. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die Armadillodomäne innerhalb der potentiellen Drug targets signifkant angereichert wurde. Sie stellt damit eine potentielle Bindestelle der α-acyl Aminocarboxamide dar. Abschließend wurden Proteine mit biotinylierten Naphtylisochinolinen aus einem MMZelllysat angereichert, deren Vorläufersubstanzen eine Wirkung auf Tumorzellen und den Malariaparasit Plasmodium falciparum gezeigt hatten. Hierbei konnten vor allem RNAbindende- und mRNA-Splicing Proteine identifiziert werden, die zum Teil essentiell für das Spleißen in-vivo sind. Hierzu gehören mehrere Untereinheiten der Splicing Factoren 3A und 3B. Die Veränderung der transkriptionellen Regulation und der resultierende Effekt auf Krebszellen konnte bereits in anderen Studien mit dem Inhibitor Spliceostatin A gezeigt werden, der das Spleißen beeinflusst. N2 - Based on the huge biochemical variety of proteins they can interact in many different ways with other proteins or small molecules. The first part of this work is about protein-Protein interactions which were investigated with chemical crosslinking. The aim of this work was the development of new and improved methods for the construction of interaction networks. The second part is about protein-small molecule interactions to identify new drug targets with subsequent validation. Mass spectrometry (MS) is a powerful tool to investigate all protein-protein interactions after enrichment from a cell lysate (Co-IP). By adding crosslinking to Co-IP experiments it is possible to create a topology map which is important to differenciate between direct and indirect interactions. To validate the crosslinking procedure, a commercial available crosslinker and recombinant proteins of known interaction partners with low sample complexity were used. The interaction partners NPL4 and UFD1 were successfully crosslinked with BS3 and crosslinked peptides were identified with MS. Next step was to apply this workflow on the Co-IP of the yeast mediator complex. Here the sample complexity is 500 to 1000 times higher than with recombinant proteins. After successfully crosslinking, a topology map of the subunits of the mediator complex was created. The result matches the latest model of the complex. Crosslinks to known interation partners, like the RNA-Pol II, were not identified because of their substoichiometric enrichment. Because of the known limitations of protein crosslinking, new and improved methods were developed: 1. Application of the MS-cleavable crosslinker DSSO, which could be cleaved with low collision energy, to improve the database search of crosslinked peptides. Proof of concept was done by crosslinking Cytochrom C. In the first fragmentation step only DSSO is cleaved. Fragmentation of the separated peptides is done in the next step with higher energy. Peptid fragments are compatible with a standard database search. The application of this method on the interacting proteins UBX and p97N failed because the predicted crosslink could not be identified. This could be due to the lack of linker length of DSSO. But more important, this experiment revealed the drawbacks of the DSSO approach. Trypsin is needed because this leads to a positive charge on the C-Terminus. Furthermore large amounts of protein are required to reach the needed intensity for all fragmentation steps. 2. Since the low abundancy of crosslinked peptides is the main issue for their identification, a new method was developed to directly search for them during the MS measurement. The defining criterion for this search was the occurrence of two C-termini in crosslinked peptides. Samples were splitted, labeled with 18O or 16O, and mixed again to generate a mass shift of 8 Da which is unique for crosslinked peptides. This mass shift can be used to directly search for these peptides during the measurement. Proof of concept was tested by labeling beta-galactosidase. Complete labeling could not be reached because of enzymatic back-exchange from 18O with 16O. Furthermore the neighbouring amino acids at the C-termini influence the labeling efficiency. Due to the incomplete labeling, the method could not be used for identifying crosslinked peptides. 3. To circumvent all problems which occur with the identification of crosslinked peptides, another method was developed to identifiy crosslinked proteins by their mass shift after separation on a polyacrylamide gel (SDS-PAGE). By crosslinking proteins additional protein bands are generated which appear in the upper part of the gel. All proteins in this region are potential interation partners. Proof of concept was done by enrichment (Co-IP) of the yeast mediator complex from a cell lysate with subsequent crosslinking. From the LC-MS/MS data, profiles for every protein of the complex were generated. The additionally generated crosslink intensity peaks of interacting subunits overlapped with each other, which is the indirect proof of the functionality of this approach. The main problem with this strategy is the low separation performance. When about 50 proteins are located in one fraction, it is not possible to unambiguously match a protein to a specific subunit of the protein complex. In the second part of this work, the interactions of proteins with small molecules were investigated by mass spectrometry, to identify potential drug targets. Biotinylated versions of active compounds were immobilized to magnetic streptavidin beads and incubated with INA6 cell lysate. By quantitiative analysis of proteins, which bind to the control beads and proteins, which bind to the inhibitor beads, potential drug targets were identified. With the used α-acyl aminocarboxamides several protein complexes and interacting proteins were specifically enriched. These included the four kinases DNA-PK, ATM, ATR and mTOR, which are involved in oncogenic signaling and survival mechanisms. Moreover it is known, that the DNA-PK interacts with HSF1 and therefore regulates the HSF1-mediated heat shock response. The inhibition of DNA-PK, ATM, ATR and mTOR with α-acyl aminocarboxamides is a new therapeutic opportunity when it is combined with other substances which trigger the heat shock response. A potential binding site of the α-acyl aminocarboxamides is the armadillo domain, because it was significantly enriched among the potential drug targets. Several naphtylisochinolines were also biotinylated, immobilized and incubated with INA6 cell lysate. Precursors of these substances showed activity against multiple myeloma cells and the malaria pathogen Plasmodium falciparum. Here we could enrich proteins which are associated with RNA-binding and mRNA splicing, including several subunits of the splicing factors 3A and 3B, which are essential for splicing. The change of the transcriptional regulation and the resulting effect on cancer cells by influencing mRNA splicing is already known and was shown by other inhibitors like Spliceostatin A. KW - Massenspektrometrie KW - Proteininteraktionen KW - Molekulare Zielstrukturen KW - Proteinquervernetzungen KW - Methodenentwicklung KW - Mass spectrometry KW - Protein interactions KW - Drug targets KW - Protein crosslinking KW - Method development Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-160462 ER - TY - THES A1 - Heinig, Katja T1 - Massenspektrometrische Identifizierung und Charakterisierung von posttranslationalen Modifikationen bei pathologischen freien Antikörperleichtketten T1 - Identification of posttranslational modifications in pathological free light chains using mass spectrometry N2 - In dieser Arbeit wurden die freien Antikörperleichtketten von Patienten mit Multiplen Myelom bzw. mit Multiplen Myelom und AL-Amyloidose auf das Auftreten von posttranslationalen Modifikationen mit der Hilfe von MS/MS-Spektren analysiert. Beide Patientengruppen zeichnen sich durch eine Überproduktion von monoklonalen Antikörperleichtketten aus, wobei diese bei Multiplen-Myelom-Patienten löslich und bei den AL-Amyloidose-Patienten unlöslich vorliegen. Zur Vorbereitung der massenspektrometrischen Messungen wurden die FLCs aus den Knochenmarksüberständen der Patienten isoliert. Dafür wurde eine 2-Schritt-Aufarbeitungsmethode etabliert, bei der mit Hilfe einer Affinitätschromatographie und einer präparativen SDS-PAGE die FLCs aus einer komplexen Matrix isoliert werden konnten. Mit Hilfe der MS/MS-Messungen konnten Sulfonierungen, Methylierungen, Acetylierungen, Oxidierungen und eine O-Glykosylierung identifiziert werden. In einem weiteren Schritt wurden mittels Varianzanalyse Sequenzen von AL-Amyloidose- und Multiplen-Myelom-Patienten sowie von Kontrollprobanten hinsichtlich der Verteilung der Aminosäuren statistisch analysiert. Dabei konnten mehrere Stellen im FLC-Peptid identifiziert werden, an denen bestimmte Aminosäuren in Abhängigkeit der Subgruppe signifikant unterschiedlich vorkommen. N2 - This work analyzed posttranslational modifications of pathological free light chains (FLC) from patients who suffer from multiple myeloma or multiple myeloma and AL amyloidosis. Both patient groups show an overproduction of free light chains which are soluble in multi- ple myeloma patients and insoluble in AL amyloidosis patients. One reason for the different solubility of the free light chains may be the appearance of posttranslational modifications. In order to identity posttranslational modifications FLCs from bone marrow supernatant were isolated and mass spectrometrically analyzed using Orbitrap technology. All measurements were done with three samples of each patient subgroup. For the FLC purification a 2-step method was established which isolates FLCs with affinity chromatography and preparative SDS-PAGE. This method enables the purification of the FLCs from a complex matrix where the FLCs may not be the main component. Before mass spectrometric analyses the amino acid sequences of the FLCs were determined via PCR using FLC-specific primers. The subsequent mass spectrometric analyses verified between 92 % and 100 % of the amino acid sequences. The analysis of posttranslational modifications identified for each patient a sulfonation at cysteine C194 whose identity and localization were verified with HCD and ETD fragmen- tation mass spectrometry technology. A similar cysteine sulfonation of FLCs was found by Connors et al. [10] who identified an identical PTM on cysteine C214 in FLCs from AL amyloidosis patients. However, a sulfonation on cysteine C194 and in FLCs from multiple myeloma patients was not published before. Furthermore, a methylation of cysteine C194 was found for each sample. As for the sul- fonation, no disease-specific appearance of methylation could be revealed. This may be a consequence of a limited number of available samples. In addition, a GlcNAc-glycosylation in the N-terminus of the variable region was found for the patients SP 1070, WS 1199 and GI 1206. An exact localization of the PTM was not possible because of the loss of the PTM during HCD fragmentation and the lack of conve- nient ETD spectra. Moreover FLC sequences were analyzed statistically for the distribution of amino acids. Therefore, a multiple sequence alignment with sequences from multiple myeloma and AL amyloidosis patients as with sequences from healthy control group individuals was done. Subsequently, for each position in FLC sequence the most frequent amino acids were deter- mined and the frequencies of being the most frequent amino acid for each subgroup were calculated. As a result, positions 56 and 73 were identified where serine respectively leucine occur statistcally significantly more often in the control group than in the multiple myeloma or the AL amyloidosis subgroup. The comparison of the frequencies of the multiple myeloma and AL amyloidosis subgroup revealed significant differences at the positions 31 and 61. At the position 31 in AL amyloidosis subgroup asparagine appears more often than in the mul- tiple myeloma subgroup which may indicate that asparagine at this position enhances the bias to FLC accumulation. The position 31 was also described as influential by Stevens et al. [25], although in his studies an aspartic acid at this position increases the bias to aggregation. At position 61 an arginine exists more often in the multiple myeloma than in the AL amy- loidosis subgroup where the missing of an arginine at this position seems to enhance the tendency for FLC accumulation. This result is consistent with the findings by Hurle et al. [27, 28] and may be a result of a missing salt bridge from arginine R61 to aspartic acid D82. KW - Massenspektrometrie KW - Amyloidose KW - Plasmozytom KW - Posttranslationale Änderung KW - Mass spectrometry KW - Multiple Myeloma KW - AL amyloidosis KW - Posttranslational modification KW - Proteomics KW - AL-Amyloidose KW - Multiples Myelom Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-108275 ER -