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Sex and diet affect proteotype
Scientists from EMBL Heidelberg have discovered that the collection of proteins in an animal cell – called the proteome – is substantially affected by both the animal’s sex and its diet.
Understanding these individual proteomes might provide a basis for personalised treatments for humans in the future.
“The goal of the study was to understand whether different proteins within the proteome interact with each other the same way in different individuals and, if not, what factors cause the differences,” explains first author Natalie Romanov, postdoctoral researcher in Peer Bork’s group at EMBL Heidelberg. The study of the individual proteomes – the proteotypes – delivered a surprising result. It showed that a significant part – around 12% – of the proteotype variation is determined by both sex and diet; this is more than expected.
So far, only a few proteins were known to be up- or downregulated according to the genetic sex of an animal or its diet. Sex-specific differences, for example, are usually traced back to chromosome X/Y-specific gene expression, but the new study showed that a lot more proteins are affected. The impact of diet, on the other hand, was restricted to a smaller complementary set of protein machineries.
“It’s impressive that these two factors alone already account for a large part of an individual’s proteotype,” says Romanov.
Proteotype-directed personalised medicine
The future of medical treatment lies in personalised medicine, in which products are tailored to individual patients. So far, most studies have focused on adapting treatments to the genotype – the genetic makeup of a cell encoded in the DNA. However, while some rare diseases are clearly genetically determined, for most diseases the environment plays a major role and the genome of the patient only has a minor contribution.
“In the case of obesity, for example, only about 6% of the variation in the body mass index can be explained by the associated genetics,” says Peer Bork. “The proteotype reflects not only the genetics but also environmental aspects, for example the lifestyle. As such, understanding proteotypes holds great promise for providing life-style-associated fingerprints in individuals.”
This study provides a major stepping stone in understanding which cellular alterations in a diseased individual can be potentially reversed by changing life-style. This knowledge could not only be useful for disease diagnosis but also to individualise therapies in the future.
A first small step
The team obtained their results by analysing 11 large public datasets containing detailed information on different proteotypes in humans and mice, as well as their diet and genetic status. It is only with recent advances in the throughput of mass spectroscopy that such large databases on individual proteotypes have been made possible. Despite technological advancements the creation of these databases is still expensive.
“The results provide a first step only. It can be assumed that many other parameters besides sex and diet need to be fully tested to potentially reshape the proteotype of an individual from a diseased to a healthier state,” concludes Martin Beck, one of the co-authors. “To understand most of the differences in proteotypes of individuals many more such datasets need to be collected. We also need to test for many more environmental and genetic factors before respective diagnostics and individualised therapies can be pushed into the clinics.”
Geschlecht und Ernährung beeinflussen Gesamtheit der Proteine
Wissenschaftler des EMBL Heidelberg haben herausgefunden, dass die Gesamtheit der Proteine in einer tierischen Zelle – auch Proteom genannt – stark vom Geschlecht des Tieres und auch von seiner Ernährung beeinflusst wird. Das Verständnis dieser individuellen Proteome könnte in Zukunft eine Grundlage für eine personalisierte Behandlung bei Menschen bilden.
“Ziel der Studie war es, zu verstehen, ob verschiedene Proteine innerhalb des Proteoms bei verschiedenen Individuen gleichartig miteinander interagieren und, wenn nicht, welche Faktoren die Unterschiede verursachen”, erklärt Erstautorin Natalie Romanov, Postdoc-Forscherin in der Gruppe von Peer Bork am EMBL Heidelberg. Die Untersuchung der einzelnen Proteome – der Proteotypen – lieferte ein überraschendes Ergebnis. Es zeigte sich, dass ein signifikanter Teil – etwa 12% – der Proteotypvariation sowohl vom Geschlecht des Tieres als auch von seiner Ernährung bestimmt ist; dies ist mehr als erwartet.
Bisher waren nur wenige Proteine bekannt, die durch das genetische Geschlecht oder die Ernährung eines Tieres hinauf- oder herunterreguliert werden. Geschlechtsspezifische Unterschiede zum Beispiel, gehen in der Regel auf die X/Y-spezifische Genexpression der Geschlechtschromosomen zurück. Die neue Studie zeigte, dass davon viel mehr Proteine betroffen sind als bisher gedacht. Die Auswirkungen der Ernährung hingegen beschränkten sich auf einen kleineren, komplementären Satz von Proteinen.
“Es ist beeindruckend, dass diese beiden Faktoren allein schon einen großen Teil des Proteotyps eines Individuums ausmachen”, sagt Romanov.
Proteotypgesteuerte personalisierte Medizin
Die Zukunft der medizinischen Versorgung liegt in der personalisierten Medizin, in der die Produkte auf den einzelnen Patienten zugeschnitten sind. Bisher konzentrierten sich die meisten Studien auf die Anpassung von Behandlungen an den Genotyp – also die genetische Zusammensetzung einer Person. Während einige seltene Krankheiten eindeutig genetisch determiniert sind, spielt bei den meisten Krankheiten die Umwelt eine große Rolle und das Genom des Patienten ist relativ unwichtig.
“Bei krankhaftem Übergewicht zum Beispiel lassen sich nur etwa 6% der Variation des Body-Mass-Index durch die damit verbundene Genetik erklären”, sagt Peer Bork. “Der Proteotyp spiegelt nicht nur die Genetik wider, sondern auch Umweltaspekte, zum Beispiel den Lebensstil. Daher hat das Verständnis von Proteotypen großes Potenzial, wenn es darum geht, lebensstilbezogene Fingerabdrücke bei Individuen zu erstellen.”
Diese Studie stellt einen wichtigen Meilenstein im Verständnis dar, welche zellulären Veränderungen bei einem kranken Menschen durch eine Änderung des Lebensstils potenziell rückgängig gemacht werden können. Dieses Wissen könnte nicht nur für die Krankheitsdiagnose, sondern auch für die zukünftige Individualisierung von Therapien nützlich sein.
Ein erster kleiner Schritt
Das Team erzielte seine Ergebnisse durch die Analyse von 11 großen öffentlichen Datensätzen, die detaillierte Informationen über verschiedene Proteotypen bei Mensch und Maus sowie deren Ernährung und genetischen Status enthalten. Erst mit den jüngsten Fortschritten im Bereich der Massenspektroskopie wurden so große Datenbanken über einzelne Proteotypen ermöglicht. Trotz technologischer Fortschritte ist die Erstellung dieser Datenbanken jedoch immer noch teuer.
“Die Ergebnisse stellen nur einen ersten Schritt dar. Es kann davon ausgegangen werden, dass viele andere Parameter neben Geschlecht und Ernährung vollständig getestet werden müssen, um den Proteotyp eines Individuums von einem erkrankten in einen gesünderen Zustand umzugestalten”, schließt Martin Beck, einer der Co-Autoren. “Um die meisten Unterschiede in den Proteotypen von Individuen zu verstehen, müssen viele weitere solcher Datensätze gesammelt werden. Wir müssen auch auf viel mehr Umwelt- und Genfaktoren testen, bevor entsprechende Diagnostik und individualisierte Therapien in die Kliniken gebracht werden können.”
