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Mass spectrometry-based functional proteomics for characterizing (patho-) physiological mechanisms in complex biological systems
Lukas Janker
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Chemie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doktoratsstudium NAWI aus dem Bereich Naturwissenschaften (DissG: Chemie)
Betreuer*innen
Christopher Gerner ,
Astrid Slany
DOI
10.25365/thesis.72291
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-12980.06247.587292-8
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Das wissenschaftliche Feld der Proteomik machte in den letzten zwei Jahrzehnten erstaunliche Fortschritte, welche eine detaillierte Analyse von Proteinen, verantwortlich für phänotypische Veränderungen in komplexen biologischen Systemen, ermöglichte. Das Potential der Identifizierung und Quantifizierung von tausenden Proteinen in Parallel ermöglichte eine unvoreingenommene und ganzheitliche Sichtweise auf die Rolle des Proteoms. Die massenspektrometrische Analyse von post-translationalen Modifikationen wie Protein Phosphorylierung, welche für Protein Aktivität, Lokalisierung oder Interaktion äußerst wichtig ist, erlaubt eine weitere „Funktionalisierung“ des gemessenen Proteoms und fügt eine zusätzliche Ebene von Information, relevant für eine kausale Interpretation, hinzu. Die Beurteilung der Diversität von vorliegenden Proteoformen, welche in biologischen Systemen präsent sind, können wichtige Erkenntnisse und Informationen zur Entstehung und den Verlauf von (patho-) physiologischen Prozessen liefern. In Ergänzung zu Proteinen kann die Analyse von biochemisch relevanten Molekülen wie Aminosäuren, Fettsäuren, Lipiden und organischen Säuren die Interpretation von proteomischen Daten durch die Verknüpfung von Effekten mit metabolomischen Veränderungen komplementieren. Mit Fokus auf erwähnte Effektor Moleküle konnten wichtige Fragen im Bezug auf Krankheitsverlauf und metabolischen Einfluss von stromalen Gewebe in multiplen Myelom adressiert werden, welche das vorhandene Wissen via genetische Analysen ergänzen. Die Analyse von Plasmazellen und Tumormikroumgebung von multpiplen Myelom Patienten in verschiedenen Stadien der Erkrankung ermöglichte Erkenntnisse, welche Implikationen für Patientenstratifizierung und neue therapeutische Konzepte haben könnte. In anderen Krankheitsmodellen konnte die Kombination von MS basierten Proteomanalysen mit transkriptomischen Analysen eine Charakterisierung von Wundheilungssignaturen ausgelöst durch antiseptische Moleküle ermöglichen oder die Betrachtung komplexer Signaltransduktionskaskaden via ergänzenden temporalen phosphoproteomischen Analysen das metastatische Potential und daraus folgender Krankheitseskalation aufgeklärt werden. Die in vitro Testung des Mycotoxins Deoxynivalenol, ein exogenes kleines Molekül, ermöglichte die Bestimmung von potentiellen Wirkmechanismen im Bezug auf dermale Toxizität mittels (phospho-) proteomischen Analysen. Die erwähnten Analysestrategien können auch bei der Bestimmung des klinischen Status und treibenden Krankheitsmechanismen von Autoimmunerkrankungen helfen, wo keine offensichtlichen genetischen Treibermutationen vorhanden sind. Die Bestimmung von komplementären Biomarker kann die Identifizierung von treibenden (patho-) physiologischen Prozessen und somit mögliche Therapiestrategien für eine Remission auf molekularer Ebene ermöglichen. Die in dieser Thesis präsentierten Publikationen sollen zeigen, dass die Anwendung von unvoreingenommenen Massenspektrometrie basierten Methoden das Potential haben, das Verständnis von hauptsächlich postgenomisch bestimmten biologischen Prozessen in komplexen Systemen zu verbessern und neue funktionale Aspekte aufzuzeigen. Darüber hinaus ermöglichten die Vielseitigkeit und Kombinationskraft dieser Methoden die Anwendung auf eine Vielzahl wichtiger wissenschaftlicher Fragestellungen, was einmal mehr die Leistungsfähigkeit umfassender, auf Massenspektrometrie basierender Omics-Technologien demonstriert.
Abstract
(Englisch)
Proteomic research made remarkable advances during the last two decades, enabling a detailed analysis of proteins responsible for phenotypical changes in complex biological systems. The capability to identify and quantify thousands of proteins in parallel allowed an unbiased and more holistic view on the role of the proteome. Mass spectrometry-based in-depth profiling of PTMs such as protein phosphorylation, a modification highly relevant for protein activity, localization, or interaction, allow to further “functionalize” the measured proteome and add additional layers of information relevant for causal interpretations. Assessing the actual distribution of proteoforms for a protein present in a biological system can give valuable insights and relevant information for the emergence and progression of (patho-) physiological processes. In addition to proteins, the analysis of biochemically relevant molecules such as amino acids, eicosanoids, lipids and organic acids can complement the interpretation of proteome data by linking alterations on protein level to effects observed on the metabolome level. Focusing on said effector molecules, important questions regarding disease progression and metabolic impact of stromal tissue in multiple myeloma were successfully addressed, supplementing genetic screening approaches. The analysis of plasma cells from multiple myeloma patients in different disease stages, as well as probing of the tumor microenvironment enabled insights which could have implications for patient stratification and novel therapeutic concepts. In other disease models, the combination of MS-based screenings with transcriptomics allowed the characterization of wound-healing signatures triggered by antiseptic molecules, or elucidate intricate receptor signalling cascades via temporal phosphoproteomics profiling which are relevant for disease escalation and metastatic potential. Testing an environmental mycotoxin, the exogenous small molecule deoxynivalenol, we explored potential dermotoxicity in an in vitro setup and applied a combination of imaging techniques with phospho-/proteomics datasets to unravel potential implications relevant for dermal exposure. These analysis strategies can also give vital information about clinical status and elucidate disease mechanisms of patients with autoimmune diseases with no obvious underlying genetic driver mutations. Complementary biomarkers from different molecule classes can help to identify driving (patho-) physiological processes and possible interventions in order to achieve not only phenotypical but also remission on a molecular level. To summarize the in this thesis presented studies, the application of unbiased MS based methods can aid the understanding of mostly postgenomically driven biological processes in complex systems and reveal novel functional aspects. Furthermore, the versatility and power of combination of said methods enabled the application to a diverse set of important scientific questions, once more demonstrating the power of comprehensive mass spectrometry-based -omics technologies.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Massenspektrometrie Bioanalytik Proteomik Multi-omik Proteinphosphorylierung PTM
Schlagwörter
(Englisch)
Mass spectrometry Bioanalytics Proteomics Multi-omics Protein phosphorylation PTM
Autor*innen
Lukas Janker
Haupttitel (Englisch)
Mass spectrometry-based functional proteomics for characterizing (patho-) physiological mechanisms in complex biological systems
Paralleltitel (Deutsch)
Massenspektrometrie basierte funktionelle Proteomik für die Charakterisierung (patho-) physiologischer Mechanismen in komplexen biologischen Systemen
Publikationsjahr
2022
Umfangsangabe
151 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Klaus Kratochwill ,
Benedikt Warth
Klassifikationen
35 Chemie > 35.23 Analytische Chemie: Allgemeines ,
35 Chemie > 35.26 Massenspektrometrie
AC Nummer
AC16609560
Utheses ID
63618
Studienkennzahl
UA | 796 | 605 | 419 |