Gezählt: Hefezelle enthält 42 Millionen Proteinmoleküle

Toronto (Kanada) - Jede Zelle besteht zum größten Teil aus Proteinen. Sie bilden Zellstrukturen und ermöglichen als Enzyme den Stoffwechsel. Wie viele verschiedenartige Proteine eine Zelle maximal produzieren kann, lässt sich aus einer DNA-Analyse und der Zahl der Gene ziemlich gut feststellen. Doch wie viele einzelne Moleküle eines jeden Proteins eine Zelle enthält, haben kanadische und US-amerikanische Forscher erst jetzt erstmals ermittelt. Demnach liegt die Gesamtzahl sämtlicher Proteinmoleküle einer Zelle der Bäckerhefe bei etwa 42 Millionen, wie sie im Fachblatt „Cell Systems“ berichten. Wenn es gelingt, entsprechende Informationen auch über die Molekülzahlen menschlicher Zellen zu erhalten, könnte das Hinweise auf die Ursachen bestimmter Krankheiten liefern.

„Die Zelle ist die funktionelle Einheit der Biologie. Daher ist es ganz natürlich, dass wir neugierig darauf sind zu erfahren, was darin ist und wie viel von jeder Sorte“, sagt Grant Brown von der University of Toronto. Sein Forscherteam wählte als Untersuchungsobjekt die einzellige Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae. Denn nur für diesen Organismus standen in ausreichendem Maß Daten zur Verfügung, die Rückschlüsse auf die Zahl an Proteinmolekülen pro Zelle ermöglichten. Die Forscher nutzten Informationen aus 21 publizierten Arbeiten, in denen aber unterschiedliche Methoden zur Bestimmung des Proteingehalts eingesetzt worden waren. Eine der häufigsten dieser Methoden besteht darin, einzelne Proteine durch gentechnische Methoden mit einem fluoreszierenden Protein zu markieren. Fluoreszenzmessungen dienen dann als indirektes Maß für die in der Zelle enthaltene Menge dieses Proteins. Andere Forschergruppen hatten immunologische Verfahren oder die Technik der Massenspektrometrie eingesetzt.

Den Forschern gelang es, für 92 Prozent der 5858 im Genom der Hefe kodierten Proteine die jeweilige Anzahl pro Zelle zu ermitteln. Zusammengenommen ergab sich eine Zahl von etwa 42 Millionen Proteinmoleküle. Für zwei Drittel der einzelnen Proteine lagen die Einzelwerte zwischen 1000 und 10.000 Moleküle pro Zelle, für einige wenige unter zehn und für andere im Bereich einiger hunderttausend. Während die meisten Proteine immer in gleicher Zahl vorlagen, veränderte sich der Gehalt anderer unter Stressbedingungen wie Hitze, Nahrungsmangel, pH-Veränderung oder oxidativer Stress. Diese Informationen liefern Hinweise auf die Funktion einzelner Hefeproteine.

Entsprechende Untersuchungen zum Proteingehalt menschlicher Zellen wären mit einem wesentlich höheren Aufwand verbunden. Denn zum einen enthält das menschliche Erbgut mehr als dreimal so viele Protein-Gene wie das Genom der Hefen. Zum anderen besteht der Körper des Menschen aus zahlreichen unterschiedlichen Zelltypen, die sich im Spektrum der produzierten Proteine stark unterscheiden. Es wäre aber von medizinischer Bedeutung zu wissen, wie groß die Zahl jedes einzelnen Proteins in den Zellen des gesunden Menschen ist. Denn ein Zuviel oder Zuwenig eines speziellen Proteins könnte die Ursache von Krankheiten sein. Ließe sich das diagnostizieren, wären auch neue, gezielte Therapien möglich.