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Protein-Interaktionsnetzwerke

Um zu überleben und sich zu vermehren, müssen alle Lebewesen kontinuierlich Informationen aus der Umwelt mit internen Entwicklungsprogrammen koordinieren. Dies wird durch komplexe Netzwerke von Proteinen und anderen Makromolekülen erreicht, deren Funktionsweise aus systembiologischer Perspektive kaum verstanden ist. Meine Arbeitsgruppe kartiert das Proteininteraktionsnetzwerk von Arabidopsis thaliana und analysiert seine Funktionsweise, um die zugrundeliegenden Prinzipien zu verstehen. Das langfristige Ziel ist es, die phänotypischen Effekte von natürlichen genetischen Variationen und experiementellen Manipulationen vorhersagen zu können.

Netzwerkkartierung: Qualitativ hochwertige Netzwerkkarten sind eine notwendige Vorraussetzung, um biolgische Netzwerke untersuchen zu können. Wir produzieren Proteom-weite Interaktionsnetzwerkkarten von zunehmend hoher Qualität und Vollständikeit mittels state-of-the-art experimentellen Methoden basierend auf yeast-2-hybrid und anderen Technologien. Diese Karten können u.a. mit netzwerkwissenschaftlichen Methoden, wie z.B. sogenannte community detection analysiert werden, und durch Integration mit anderen funktionellen Daten wie z. B. Transkriptomdaten (Arabidopsis Interactome Mapping Consortium, Science 2011).

Biologische Module: Mehrere Projekte haben zum Ziel, kleinere Module, die wichtig für die Entwicklung und das Überleben von Pflanzen sind, tiefergehend zu analysieren: das Phytohormon-Signaltransduktionsnetzwerk und Pathogen-Wirt Interaktionen. Um zu verstehen, wie Signale, die Informationen über verschiedene Umgebungsvariablen vermitteln, auf molekularer Ebene miteinander integriert werden, konstruieren wir ein Phytohormon- Signaltransduktionsnetzwerk (PhyHormNet). Um zu verstehen, wie Pathogene das Wirtsnetzwerk manipulieren, haben wir ein erstes “Plant-Pathogen” Interaktionsnetzwerk generiert (PPIN-1). Analyse dieses Netzwerks ergab, dass evolutionär weit voneinender entfernte Pathogene auf wenige hochvernetzte Arabidopsis-Wirtsproteine konvergieren, sogenannten Hubs. Für mehr als 90% dieser zwei Pathogenen gemeinen Zielproteine (17/18) konnte in genetischen Experimenten eine biologische Funktion in Immunität demonstriert werden. Allerdings ist zur Zeit unklar, warum diese Proteine von beiden Pathogenen gebunden werden – diese Frage wird in der Arbeitsgruppe untersucht (Mukhtar et al., Science 2011).

Funktionelle Charakterisierung: Eine wichtige Frage bei Interaktomanalysen ist die Direktionalität von möglichen regulatorischen Effekten der kartierten Interaktionen, also welcher Interaktionspartner den anderen funktionell beeinflusst. Diese Frage ist unter anderem für die Rekonstruierung des Informationsflusses innerhalb des Netzwerks wichtig. Um die Funktion und Direktionalität von neuen Interaktionen zu untersuchen, entwickeln wir funktionelle Assays für Proteinfamilien und ausgewählte Kandidaten.

Unter anderem kollaborieren wir mit:
Jim Beynon (University of Warwick, England)
Joe Ecker (Salk Institute, La Jolla, CA, and Howard Hughes Medical Institute, USA)
Jeff Dangl (University of North Carolina, Chapel Hill, NC, and Howard Hughes Medical Institute, USA)
Claire Lurin (INRA/CNRS – URGV – Functional Genomics Unit, Evry, Frankreich)
Klaus Mayer (Helmholtz Zentrum München, Deutschland)
Ralph Panstruga (RWTH Aachen, Deutschland)
Fabian Theis (Helmholtz Zentrum München, Deutschland)

Relevante Publikationen:

Weßling R, Epple P, Altmann S, Yijian, Li Yang, Henz S, McDonald N, Wiley K, Bader K, Gläßer C, Mukhtar S, Haigis S, Ghamsari L, Stephens A, Ecker J, Vidal M, Jones J, Mayer K, van Themaat E, Weigel D, Schulze-Lefert P, Dangl J, Panstruga R and Braun P, Convergent Targeting of a Common Host Protein-Network by Pathogen Effectors from Three Kingdoms of Life; Cell Host & Microbe 2014 PubMed

Arabidopsis Interactome Mapping Consortium; Braun P* (Chair) et al., Network Evolution in a Plant Interactome Map. Science 2011 Jul 29; 333:596-601. PubMed

 

Mukhtar SM†, Carvunis AR†, Dreze M†, Epple P†, Steinbrenner J, Tasan M, Moore J, Galli M, Hao T, Ghamsari L, Nishimura MT, Romero V, Poulin M, Gebreab F, Tam S, He Y, Harbort CJ, Donovan S, McDonald N, Cusick M, Hill DE, Roth FP, Ecker JR, Vidal M*, Beynon J*, Braun P*, Dangl JL*; Independently Evolved Virulence Effectors Converge onto Hubs in a Plant Immune System Network. Science 2011 Jul 29; 333:601-7. PubMed