Autoimmuna sjukdomar är en samling komplexa, kroniska, inflammatoriska sjukdomstillstånd som kännetecknas av dysreglering av immunsystemet, vilket resulterar i inflammation och skada av vävnader, celler och organ. Dessa sjukdomar har en betydande inverkan på individens livskvalitet och bidrar ofta till ökad dödsrisk där komorbiditeter föreligger. Emellertid medför den varierande symptombilden för olika autoimmuna sjukdomar betydande utmaningar för att uppnå noggrann diagnos, prognos och utvärdering av behandling. Det finns därför ett påtagligt behov av att upptäcka nya biomarkörer.  I denna studie utfördes en omfattande analys av 944 plasmaprover med hjälp av OlinkR Explore-plattformen, vilket genererade data för 1463 unika proteiner. Baserat på uttrycksdata identifierades proteiner förknippade med de sex utvalda autoimmuna sjukdomarna multipel skleros, myosit, reumatoid artrit, systemisk skleros, Sjögrens sjukdom och systemisk lupus erythematosus samt några av deras definierade subgrupper. Dessa potentiella biomarkörer kommer eventuellt att underlätta tidig diagnos, sjukdomsdifferentiering och prognos. Flertalet av dessa proteiner har ännu aldrig kopplats till de här specifika sjukdomarna i litteraturen, särskilt inte från plasmaprover, vilket ger spännande nya perspektiv för biomarkörsutveckling. Det är dock av största vikt att genomföra robusta valideringsstudier i oberoende kohorter.  Sammanfattningsvis belyser våra resultat den potentiella brukbarheten hos dessa proteomiska plasmabiomarkörer för att förbättra tidig sjukdomsdetektering, karakterisering av subgrupper och sjukdomsdifferentiering att stimulera. Förhoppningsvis kan dessa resultat stimulera till vidare forskning inom området för biomarkörer och potentiella framsteg inom individbaserad medicin. / Autoimmune diseases are complex, chronic, inflammatory conditions characterized by dysregulation of the immune system, resulting in inflammation and damage to various tissues, cells and organs. These diseases significantly impact individuals’ quality of life and often contribute to increased mortality risk in the presence of comorbidities. However, due to the diverse array of symptoms associated with different autoimmune diseases, accurate diagnosis, prognosis, and treatment evaluation pose significant challenges. Thus, there is a pressing need for the discovery of novel biomarkers.  In this study, a comprehensive analysis of 944 plasma samples using the OlinkR Explore platform was conducted, generating data on 1463 unique proteins. Based on the expression data, associated proteins were identified for six selected autoimmune diseases, namely multiple sclerosis, myositis, rheumatoid arthritis, systemic sclerosis, Sjögren’s syndrome, and systemic lupus erythematosus, as well as some of their defined subgroups. These are prospective biomarkers and have the potential to aid in early diagnosis, therapeutic intervention, subgroup identification, disease differentiation, and disease prognosis. Notably, some of these proteins have not been previously associated with the specific diseases in the existing literature, especially not in plasma samples, thereby offering intriguing new perspectives for biomarker development. However, it is of great importance to conduct robust validation studies in independent cohorts to confirm the outcomes of this study.  In summary, our findings highlight the potential utility of these proteomic plasma biomarkers in improving the early detection, subgroup characterization, and disease differentiation of autoimmune diseases. The identification of these proteins will hopefully stimulate further investigation in the field of biomarker research and potential advancements in personalized medicine.

Es wird allgemein angenommen, dass Proteine exponentiell degradiert werden. Das bedeutet, dass neu synthetisierte als auch alte Proteine mit gleicher Wahrscheinlichkeit degradiert werden. Es tauchen jedoch immer mehr Hinweise dafür auf, dass das nicht immer der Fall sein muss. Um diese Fragestellung systematisch anzugehen, haben wir eine Methode zur metabolischen Pulsmarkierung mit der nichtkanonischen Aminosäure Azidohomoalanine (AHA) entwickelt. AHA ermöglicht die Anreicherung von neu synthetisierten Proteinen direkt nach einem Puls oder nach einer „chase“ (Nachverfolgung) Periode in AHA freiem Medium. Wir kombinierten diese Methode mit SILAC und Shotgun Proteomik um zu quantifizieren wieviel Protein nach verschiedenen chase-Perioden übrig bleibt. Damit konnten wir Degradationsprofile für tausende von Proteinen erstellen. Unsere Daten zeigen, dass mehr als 10 % der Proteine nicht exponentiell degradiert werden (NED). Diese Proteine werden mit fortschreitendem Alter ausschließlich stabiler. Proteasomale Degradation von überschüssigen Proteinkomplexuntereinheiten scheint einen Großteil der NEDs zu erklären. Beim Vergleich zwischen murinen und humanen Zellen stellte sich heraus, dass NED teilweise konserviert ist. Das liegt scheinbar daran, dass diese Zellen trotz unterschiedlichem Ursprungs einheitlich bestimmte Untereinheiten überproduzieren. Da überschüssige NED Proteine bereits unter Standardbedingungen degradiert werden, nahmen wir an, dass die zusätzliche Überproduktion eines NED Proteins seine Level im stationären Zustand nicht verändern sollte. Um dies zu zeigen, quantifizierten wir Degradationskinetiken von Proteinen einer aneuploidenZelllinie. Wir fanden, dass NED Proteine, die auf trisomischen Chromosomen codiert sind, nicht in gleichem Maße ihr stationäres Level steigerten wie exponentiell degradierte Proteine. In Übereinstimmung mit unserer Hypothese verzeichneten wir stattdessen eine Zunahme der anfänglichen Degradationsraten dieser NED Proteine. / Proteins are thought to be degraded exponentially. That means that newly synthesized proteins have the same probability to be degraded as old proteins. However, evidence has accumulated showing that this is not true in all cases. To analyze this more systematically, we developed a method employing metabolic pulse-labeling by the non-canonical amino acid azidohomoalanine (AHA). AHA enables enrichment of newly synthesized proteins directly after pulse or after chase in AHA-free medium. We used SILAC and shotgun proteomics to quantify how much protein remains after different lengths of chase to create degradation profiles for thousands of proteins. Importantly, these degradation profiles allowed us to detect changes in degradation kinetics as the proteins age. We found that more than 10 % of proteins are non-exponentially degraded (NED). These protein are exclusively stabilized by age. Proteasomal degradation of excess protein complex subunits seems to explain a large fraction of NED. Comparing NED in mouse and human cells, we found that NED is at least partially conserved, seemingly due to cells consistently making too much of certain subunits. These overproduced subunits are on average shorter and more structured than the exponentially degraded proteins within the same complex. Finally, since excess NED proteins are degraded during baseline conditions, we hypothesized that making more of a NED protein would not increase its steady state levels. We employed an aneuploidy cell model and found that indeed NED proteins encoded on trisomic chromosomes did not increase in steady state levels to the same extent as exponentially degraded proteins. Instead, we recorded an increase in initial degradation of these proteins. In summary, we present a method for global pule-chase experiments allowing the detection of age-dependent protein degradation with possible implications for the understanding of aneuploidy and cancer.

Das Biopolymer-produzierende Knallgasbakterium Ralstonia eutropha H16 gilt mit seinem außergewöhnlichen Stoffwechsel als vielversprechender Produktionsstamm für die weiße Biotechnologie. Es wächst auf einer Vielzahl organischer Substrate sowie chemolithoautotroph mit H2 und CO2 als einzige Energie- bzw. Kohlenstoffquelle. Unter anaeroben Bedingungen ist es zudem zur Denitrifikation befähigt. In dieser Arbeit wurde das Proteinprofil von R. eutropha unter chemolithoautotrophen sowie anaeroben Bedingungen mittels GeLC-MS/MS untersucht. Beide Proteomstudien offenbarten, dass die Nutzung unterschiedlicher Elektronendonoren bzw. -akzeptoren mit zahlreichen Veränderungen im Proteinbestand der Zellen einherging. Hierbei waren neben Proteinen metabolischer und Transportprozesse auch jene der Zellbewegung betroffen. Die Ergebnisse stellen im Vergleich zu vorangegangenen Studien den bisher umfassendsten Überblick zum Proteinbestand beim H2-basierten sowie anaeroben Wachstum in R. eutropha dar. Von besonderer Bedeutung war dabei das Einbinden der Analyse der Membran als Ort wichtiger Energie- und Transportprozesse. Besonderes Interesse galt einem unter H2/CO2-Bedingungen abundanten Zweikomponentensystem. Sequenzvergleiche zeigten Ähnlichkeit zum Regulationssystem der Katabolitrepression des Biphenylabbaus in Acidovorax sp. KKS102. Die Deletion des Response-Regulator-Gens führte zu vielfältigen Wachstumseffekten auf Substraten wie Fructose, Glycerin sowie auf H2/CO2. Der pleiotrope Phänotyp sowie die Ergebnisse von Genexpressionsstudien und der Suche nach Regulator-Bindestellen lassen eine globale Rolle des Systems im Energie- und/oder Kohlenstoffmetabolismus von R. eutropha H16 annehmen. Histidin-Kinase und Response Regulator wurden in GloS bzw. GloR umbenannt. Die vorliegende Arbeit zeigt eindrucksvoll das Potential der Proteomik als Teil der funktionellen Genomik für den Anstoß neuer Forschungsansätze zur Evaluierung des biotechnologischen Potentials von Mikroorganismen. / Due to its remarkable metabolism the bioplastic-producing “Knallgas” bacterium Ralstonia eutropha H16 is ranked as a promising production strain for white biotechnology. It grows on a wide range of organic substrates as well as lithoautotrophically on H2 and CO2 as sole energy and carbon source, respectively. Under anaerobic conditions it thrives by denitrification. This thesis focused on characterizing the protein profiles of lithoautotrophically and anaerobically grown R. eutropha cells. Proteome analyses revealed an extensive protein repertoire adapting the organism to alternative electron donors and acceptors, respectively. Changes concerned proteins involved in metabolic and transport processes as well as in cell movement. Compared to previous studies the results reported here offer the most comprehensive proteomic survey regarding the H2-based as well as anaerobic lifestyle of R. eutropha so far. In this context analyzing the cell membrane as a place for a number of energy, transport and signal transduction processes was of particular importance. Special interest aroused the identification of a two-component system upregulated on H2/CO2. Sequence analysis offered high similarity to the regulatory system for catabolite control of biphenyl degradation in Acidovorax sp. KKS102. Deletion of the response regulator gene led to versatile growth effects on substrates such as fructose and glycerol as well as H2/CO2. This pleiotrophic phenotype as well as the results of gene expression studies and the search for regulator binding sites suggests that the two-component system is a global player in energy and/or carbon metabolism in R. eutropha and possibly other bacteria. Thus, histidine kinase and response regulator have been renamed GloS/R. Since their characterization was initiated by proteomic data this study impressively elucidates the power of functional genomics in terms of revealing new research approaches to evaluate the biotechnological use of microbes.

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