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Institut für molekulare Virologie und Zellbiologie (IMVZ)

Labor für Proteomforschung und Systembiologie

Im letzten Jahrzehnt hat die Entwicklung neuer Methoden, die globale Analyse von Transkriptomen und Proteomen ermöglicht. Zusammen mit der Etablierung quantitativer Strategien, ermöglicht dies globale Studien zur Analyse der Genexpression auf verschiedenen molekularen Ebenen. Wir nutzen diese Techniken zur Untersuchung diverser genomischer, virologischer und zellbiologischer Fragestellungen.

Kurzbeschreibung der Projekte

Annotation von Genomen mittels Proteotranskriptomik

Wir nutzen RNA Sequenzierung und massenspektrometriebasierte Proteomik, um Informationen über exprimierte RNA-Transkripte und translatierte Proteine zu erhalten, was eine systematische Annotation proteinkodierender Gene durch Kombination von Sequenzinformationen aus beiden Ebenen erlaubt. Dies ermöglicht uns die Identifizierung von Genen, welche zuvor von Genomannotationsprojekten übersehen oder falsch annotiert wurden. Wir haben die Leistungsfähigkeit dieses Ansatzes anhand einer Studie über Nematoden demonstriert, darunter auch Arten ohne vorherige Genomannotation. Bei dem gut annotierten Modellorganismus C. elegans ist es uns dabei gelungen, zwei neue Gene zu entdecken. In Zukunft wollen wir diesen Ansatz auf eine vielfältigere Artengruppe, einschließlich wenig erforschter Wild- und Nutztierarten ausweiten.

Literatur:

  • Ceron-Noriega A, Almeida MV, Levin M, Butter F. Nematode gene annotation by machine-learning-assisted proteotranscriptomics enables proteome-wide evolutionary analysis. Genome Res. 2023
     
  • Levin M, Butter F. Proteotranscriptomics - A facilitator in omics research. Comput Struct Biotechnol J. 2022
     
  • Levin M, Scheibe M, Butter F. Proteotranscriptomics assisted gene annotation and spatial proteomics of Bombyx mori BmN4 cell line. BMC Genomics. 2020

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Genregulation bei tierischen Parasiten

Afrikanische Trypanosomen (T. brucei), die Erreger von Nagana bei Rindern, sind evolutionär sehr unterschiedlich zu anderen Eukaryoten mit besonderen Genregulationsmerkmalen, werden aber auch zur Untersuchung grundlegender biologischer Fragestellungen eingesetzt. Wir haben zuvor gezeigt, dass das Genexpressionsniveau zwischen Transkriptom und Proteom unterschiedlich ist, wahrscheinlich bedingt durch polycistronische Expressionseinheiten und das Transspleißen einer Leadersequenz, was hier den starken Einfluss der posttranskriptionellen Regulation auf die Genexpression bedingt. Daneben haben wir diesen tierischen Krankheitserreger als Modell zur Bestimmung des Kernproteoms durch räumliche Proteomik eingesetzt. Ferner wurde in Kollaborationen die epigenetische Regulation und das Zusammenspiel zwischen Differenzierung und Stoffwechsel untersucht. In Zukunft werden wir diese Studien auf andere Vertreter der Gruppe, die für die Gesundheit von Mensch und Tier von Bedeutung sind, ausweiten.

Literatur:

  • Trindade S, De Niz M, Costa-Sequeira M, Bizarra-Rebelo T, Bento F, Dejung M, Narciso MV, López-Escobar L, Ferreira J, Butter F, Bringaud F, Gjini E, Figueiredo LM. Slow growing behavior in African trypanosomes during adipose tissue colonization. Nat Commun. 2022
     
  • Vellmer T, Hartleb L, Fradera Sola A, Kramer S, Meyer-Natus E, Butter F, Janzen CJ.A novel SNF2 ATPase complex in Trypanosoma brucei with a role in H2A.Z-mediated chromatin remodelling. PLoS Pathog. 2022
     
  • Eisenhuth N, Vellmer T, Rauh ET, Butter F, Janzen CJ. A DOT1B/Ribonuclease H2 Protein Complex Is Involved in R-Loop Processing, Genomic Integrity, and Antigenic Variation in Trypanosoma brucei. mBio 2021
     
  • Doleželová E, Kunzová M, Dejung M, Levin M, Panicucci B, Regnault C, Janzen CJ, Barrett MP, Butter F, Zíková A. Cell-based and multi-omics profiling reveals dynamic metabolic repurposing of mitochondria to drive developmental progression of Trypanosoma brucei. PLoS Biol. 2020
     
  • Goos C, Dejung M, Janzen CJ, Butter F, Kramer S. The nuclear proteome of Trypanosoma brucei. PLoS One 2017
     
  • Dejung M, Subota I, Bucerius F, Dindar G, Freiwald A, Engstler M, Boshart M, Butter F, Janzen CJ. Quantitative Proteomics Uncovers Novel Factors Involved in Developmental Differentiation of Trypanosoma brucei. PLoS Pathog. 2016
     
  • Ericson M, Janes MA, Butter F, Mann M, Ullu E, Tschudi C. On the extent and role of the small proteome in the parasitic eukaryote Trypanosoma brucei. BMC Biol. 2014
     
  • Butter F, Bucerius F, Michel M, Cicova Z, Mann M, Janzen CJ. Comparative proteomics of two life cycle stages of stable isotope-labeled Trypanosoma brucei reveals novel components of the parasite's host adaptation machinery. Mol Cell Proteomics. 2013

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Entwicklungssystembiologie

Wir arbeiten an der Schnittstelle zwischen Transkriptomik und Proteomik und erforschen globale Muster der Genregulation. Bisher haben wir die Entwicklungsdifferenzierung in Trypanosomen untersucht und festgestellt, dass Transkiptom und Proteom bei diesem Parasiten keine starke Korrelation aufweist, was wahrscheinlich auf polycistronische Transkriptionseinheiten zurückzuführen ist. Darüber hinaus haben wir ein groß angelegtes Entwicklungsproteom von Drosophila melanogaster erstellt, das zeigt, dass Proteine für eine Teilmenge des Proteoms lange nach der Transkription stabil sein können. Indem wir den embryonalen Zeitverlaufs-Proteomdatensatz dieser Studie mit einem gepaarten Transkriptom zusammen nutzen, konnten wir mit Differentialgleichungen (ODE) als mathematisches Modell, das Verhalten von Transkriptom und Proteom während der Embryogenese korrelieren und gleichzeitig erfolgreich Translationsregulatoren vorhersagen.

Literatur:

  • Becker K, Bluhm A, Casas-Vila N, Dinges N, Dejung M, Sayols S, Kreutz C, Roignant JY, Butter F, Legewie S. Quantifying post-transcriptional regulation in the development of Drosophila melanogaster. Nat Commun. 2018
     
  • Casas-Vila N, Bluhm A, Sayols S, Dinges N, Dejung M, Altenhein T, Kappei D, Altenhein B, Roignant JY, Butter F. The developmental proteome of Drosophila melanogaster. Genome Res. 2017
     
  • Dejung M, Subota I, Bucerius F, Dindar G, Freiwald A, Engstler M, Boshart M, Butter F, Janzen CJ. Quantitative Proteomics Uncovers Novel Factors Involved in Developmental Differentiation of Trypanosoma brucei. PLoS Pathog. 2016

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Stabilität und Regulierung von Telomeren bei Tieren

Telomere sind ein wichtiger Aspekt für die Integrität des eukaryotischen Genoms und an der Alterung und der Krebsentstehung bei Tieren maßgeblich beteiligt. Wir haben zuvor durch eine Phylointeraktomikstudie mutmaßliche telomerassozierte Proteine in 16 Wirbeltierspezies katalogisiert und bereits mehrere Kandidaten wie HOT1, ZBTB10, ZBTB48 und ZNF524 als neue Telomerproteine validiert. Darüber hinaus untersuchen wir auch Telomerbindungsproteine in anderen Tierarten wie C. elegans und T. brucei, um Grundprinzipien der Telomerregulation und -stabilität zu verstehen.

Literatur:

  • Braun H, Xu Z, Chang F, Viceconte N, Rane G, Levin M, Lototska L, Roth F, Hillairet A, Fradera-Sola A, Khanchandani V, Dreesen O, Yang Y, Shi Y, Li F, Butter F, Kappei D. ZNF524 directly interacts with telomeric DNA and supports telomere integrity. Biorxiv 2022
     
  • Dietz S, Almeida MV, Nischwitz E, Schreier J, Viceconte N, Fradera-Sola A, Renz C, Ceron-Noriega A, Ulrich HD, Kappei D, Ketting RF, Butter F. The double-stranded DNA-binding proteins TEBP-1 and TEBP-2 form a telomeric complex with POT-1. Nat Commun. 2021
     
  • Bluhm A, Viceconte N, Li F, Rane G, Ritz S, Wang S, Levin M, Shi Y, Kappei D, Butter F. ZBTB10 binds the telomeric variant repeat TTGGGG and interacts with TRF2. Nucleic Acids Res. 2019
     
  • Reis H, Schwebs M, Dietz S, Janzen CJ, Butter F. TelAP1 links telomere complexes with developmental expression site silencing in African trypanosomes. Nucleic Acids Res. 2018
     
  • Jahn A, Rane G, Paszkowski-Rogacz M, Sayols S, Bluhm A, Han CT, Draškovič I, Londoño-Vallejo JA, Kumar AP, Buchholz F, Butter F, Kappei D. ZBTB48 is both a vertebrate telomere-binding protein and a transcriptional activator. EMBO Rep. 2017
     
  • Kappei D, Scheibe M, Paszkowski-Rogacz M, Bluhm A, Gossmann TI, Dietz S, Dejung M, Herlyn H, Buchholz F, Mann M, Butter F. Phylointeractomics reconstructs functional evolution of protein binding. Nat Commun. 2017
     
  • Kappei D, Butter F, Benda C, Scheibe M, Draškovič I, Stevense M, Novo CL, Basquin C, Araki M, Araki K, Krastev DB, Kittler R, Jessberger R, Londoño-Vallejo JA, Mann M, Buchholz F. HOT1 is a mammalian direct telomere repeat-binding protein contributing to telomerase recruitment. EMBO J. 2013