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Characterizing Variation of Protein Complexes and Functional Modules on a Temporal Scale and across Individuals

Charakterisierung der Variation von Proteinkomplexen und funktionellen Modulen im zeitlichen Kontext und zwischen Individuen

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:20-opus-168139
  • A fundamental question in current biology concerns the translational mechanisms leading from genetic variability to phenotypes. Technologies have evolved to the extent that they can efficiently and economically determine an individual’s genomic composition, while at the same time big data on clinical profiles and diagnostics have substantially accumulated. Genome-wide association studies linking genomic loci to certain traits, however, remain limited in their capacity to explain the cellular mechanisms that underlie the given association. ForA fundamental question in current biology concerns the translational mechanisms leading from genetic variability to phenotypes. Technologies have evolved to the extent that they can efficiently and economically determine an individual’s genomic composition, while at the same time big data on clinical profiles and diagnostics have substantially accumulated. Genome-wide association studies linking genomic loci to certain traits, however, remain limited in their capacity to explain the cellular mechanisms that underlie the given association. For most associations, gene expression has been blamed; yet given that transcript and protein abundance oftentimes do not correlate, that finding does not necessarily decrypt the underlying mechanism. Thus, the integration of further information is crucial to establish a model that could prove more accurate in predicting genotypic effects on the human organism. In this work we describe the so-called proteotype as a feature of the cell that could provide a substantial link between genotype and phenotype. Rather than looking at the proteome as a set of independent molecules, we demonstrate a consistent modular architecture of the proteome that is driven by molecular cooperativity. Functional modules, especially protein complexes, can be further interrogated for differences between individuals and tackled as imprints of genetic and environmental variability. We also show that subtle stoichiometric changes of protein modules could have broader effects on the cellular system, such as the transport of specific molecular cargos. The presented work also delineates to what extent temporal events and processes influence the stoichiometry of protein complexes and functional modules. The re-wiring of the glycolytic pathway for example is illustrated as a potential cause for an increased Warburg effect during the ageing of the human bone marrow. On top of analyzing protein abundances we also interrogate proteome dynamics in terms of stability and solubility transitions during the short temporal progression of the cell cycle. One of our main observations in the thesis encompass the delineation of protein complexes into respective sub-complexes according to distinct stability patterns during the cell cycle. This has never been demonstrated before, and is functionally relevant for our understanding of the dis- and assembly of large protein modules. The insights presented in this work imply that the proteome is more than the sum of its parts, and primarily driven by variability in entire protein ensembles and their cooperative nature. Analyzing protein complexes and functional modules as molecular reflections of genetic and environmental variations could indeed prove to be a stepping stone in closing the gap between genotype and phenotype and customizing clinical treatments in the future.show moreshow less
  • Eine fundamentale Frage in der heutigen biologischen Forschung ist durch welche Mechanismen eine gebenene genetische Variation sich in einem Phänotyp äußert. Etliche Technologien können heutzutage effizient und ökonomisch die genomische Komposition eines Individuals mit beispielloser Genaugikeit aufschlüsseln. Gleichzeitig gibt es wesentliche Erfolge und Bemühungen, große Datenmengen von Patienten zu sammeln, sowohl klinische Profile, als auch Diagnosen. Es gibt bereits mehrere genomweite Assoziationsstudien, die auf spezifische genomische LociEine fundamentale Frage in der heutigen biologischen Forschung ist durch welche Mechanismen eine gebenene genetische Variation sich in einem Phänotyp äußert. Etliche Technologien können heutzutage effizient und ökonomisch die genomische Komposition eines Individuals mit beispielloser Genaugikeit aufschlüsseln. Gleichzeitig gibt es wesentliche Erfolge und Bemühungen, große Datenmengen von Patienten zu sammeln, sowohl klinische Profile, als auch Diagnosen. Es gibt bereits mehrere genomweite Assoziationsstudien, die auf spezifische genomische Loci hinweisen, die womöglich einem bestimmenten phänotypischen Merkmalen zugrunde liegen. Obwohl für die meisten genetischen Assoziationen, eine veränderte Genexpression oftmals als Ursache diskutiert wird, ist dies wahrscheinlich nur ein Teil des zugrundeliegenden Mechanismus. Wir können dies annehmen, da RNA-Transkripte nicht unbedingt mit ihrem Protein-Produkt korrelieren aufgrund von post-transkriptioneller und translationeller Regulation. Um dementsprechend ein Modell zu etablieren, das die genotypischen Effekte auf den human Organismus akkurat vorhersagen kann, ist eine Integration von mehreren zellulären Informationsschichten notwendig. In der folgenden Arbeit beschreiben wir den sogenannten Proteotyp als ein zelluläres Merkmal, das eine substanzielle Verknüpfung zwischen dem Genotyp und dem Phänotyp eines Individuums schaffen könnte. Statt das Proteom als ein Set unabhängiger Moleküle zu betrachten, zeigen wir eine konsistent moduläre Architektur des Proteoms auf, das durch die molekulare Kooperativität zustande kommt. Funktionelle Module, v.a. Proteinkomplexe, können weiters auf Unterschiede zwischen Individuen untersucht werden, sowie deren Variabilität aufgrund genetischer oder umweltbedingter Ursachen. Wir demonstrieren u.a. auch, dass leichte stöchiometrische Veränderungen in solchen Modulen zu weitläufigen Effekten im zellulären Haushalt führen können, z.B. im Transport von spezifischen Molekülen. Die vorgestellte Arbeit beschreibt allerdings auch inwieweit temporäre Ereignisse und Prozesse die Stöchiometrie von Proteinkomplexen und funktionellen Modulen beeinflussen. Wir zeigen z.B. auf, dass eine Veränderung in der glycolytischen Enzym-Stöchiometrie die Ursache für den Warburgeffekt in gealterten Zellen des humanen Knochenmarks darstellen könnte. Neben der Analyse von Protein-Abundanzen untersucht die vorliegende Arbeit Proteomdynamik auch in Hinblick auf Stabilitäts- und Löslichkeitsveränderungen von Proteine in kürzeren Zeitabläufen wie den Zellzyklus. Wir können dabei feststellen, dass Untereinheiten von größeren Proteinkomplexen verschiedene Stabilitätsmuster aufweisen. Dies ist durchaus eine neue Erkennis, die weittragende Folgen für unser Verständnis des Ab- und Aufbauprozesses von Proteinkomplexen haben könnte. Die Einblicke, die aus dieser Arbeit gewonnen werden können, implizieren in jedem Falle, dass das Proteom mehr als die Summe der Einzelteile darstellt, und hauptsächlich durch die Variabilität von gesamten Proteinensembls und deren Kooperativität bestimmt wird. Proteinkomplexe und funktionelle Module sollten daher als molekulare Reflektionen von genetisch- und umweltbedingter Variation betrachtet werden. Solch ein Perspektivenwechsel könnte damit die Möglichkeit bieten eine mechanistische Verknüpfung von Genotyp und Phänotyp zu gewährleisten, und ein Fundament für zukünftige individuell angepasste klinische Behandlungen darstellen.show moreshow less

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Metadaten
Author: Natalie Romanov
URN:urn:nbn:de:bvb:20-opus-168139
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg, Fakultät für Biologie
Faculties:Fakultät für Biologie / Theodor-Boveri-Institut für Biowissenschaften
Referee:Prof. Dr. Peer Bork, Prof. Dr. Thomas Dandekar
Date of final exam:2018/09/12
Language:English
Year of Completion:2019
DOI:https://doi.org/10.25972/OPUS-16813
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie
GND Keyword:Proteotype
Tag:Proteomics Analysis of Complexes
Release Date:2019/09/13
Licence (German):License LogoCC BY-SA: Creative-Commons-Lizenz: Namensnennung, Weitergabe unter gleichen Bedingungen 4.0 International