Forskere præsenterer en ny metode til direkte og hurtigt at ødelægge ethvert protein i enhver form for celle

I vores kroppe, proteiner udfører næsten alle væsentlige processer, og proteinfejl forårsager mange sygdomme. For at studere et proteins funktion, forskere fjerner det fra cellen og analyserer efterfølgende konsekvenserne. De to metoder, de typisk kunne bruge i øjeblikket, er genomredigering af CRISPR/Cas, og RNA-interferens. De virker på niveauet af DNA eller RNA, henholdsvis. Imidlertid, deres indflydelse på proteinmængderne er indirekte og tager tid. Forskere fra Tyskland og Storbritannien præsenterer nu en ny metode, kaldet Trim-Away, som gør det muligt direkte og hurtigt at udtømme et protein fra enhver celletype. Da Trim-Away kan skelne mellem forskellige varianter af et protein, det åbner også op for nye steder for behandling af sygdomme.

I hver levende celle, mange tusinde proteiner er på arbejde. Deres repertoire omfatter alt fra at katalysere biokemiske reaktioner til at forme en celles overflade eller sende og modtage signaler. Fejlfungerende proteiner forårsager forskellige sygdomme, herunder kræft og neurodegeneration. Derfor, det er af stor interesse for molekylærbiologer at forstå, hvordan proteiner virker i deres naturlige miljø - cellen.

For at undersøge et proteins funktion, en af ​​de vigtigste strategier er at fjerne det fra cellen og at studere virkningerne på cellulære processer. For at opbruge et protein, forskere har to hovedteknikker ved hånden:genomredigering af CRISPR/Cas, og RNA-interferens (RNAi). Ved at målrette mod en celles DNA eller RNA, henholdsvis, de lukker effektivt ned for produktionen af ​​et protein. Imidlertid, disse metoder påvirker proteinmængder kun indirekte og er ikke anvendelige til enhver celle- og proteintype. Indtil nu, der var ingen universelt anvendelig teknik tilgængelig, der kunne overvinde disse begrænsninger.

Forskere ved Max Planck Institute for Biophysical Chemistry i Göttingen (Tyskland) og MRC Laboratory of Molecular Biology i Cambridge (UK) er nu lykkedes med at udvikle en ny metode, kaldet Trim-Away. "Med Trim-Away, det er muligt for første gang direkte at målrette næsten ethvert protein i enhver celletype, " siger Melina Schuh, Direktør ved MPI for Biofysisk Kemi. "Det er meget simpelt at bruge og fjerner proteiner inden for få minutter. Dette er meget hurtigere end noget, du kan opnå med genomredigering eller RNAi - med disse teknikker, det tager typisk mange timer eller endda dage at opbruge et protein. Dette giver cellen tid til at udvikle mekanismer til at kompensere for tabet, som nogle gange skjuler de faktiske effekter. I øvrigt, genomredigering og RNAi er uegnede til at studere langlivede proteiner eller proteiner i primære celler. Med Trim-Away, vi kan nu lukke dette hul." "Vi kan nu tage stort set enhver celle fra kroppen og hurtigt ødelægge proteiner inde i denne celle, giver os mulighed for straks at studere virkningerne på cellulære processer, " tilføjer førsteforfatter Dean Clift.

Udnyttelse af evnerne til et cellulært protein

Centralt i den nye teknik er et protein, der var blevet opdaget i Leo James' laboratorium på MRC LMB:Trim21. Trim21 genkender antistoffer, som trænger ind i cellen knyttet til vira. Det binder til disse antistoffer, mærker antistof-virus-komplekset som "skrald", og afleverer det til cellens "affaldsskakt", proteasomet. Schuh indså, at denne evne hos Trim21 kan hjælpe hende med at overvinde et problem, hun havde stået over for i sin forskning:Det havde vist sig usædvanligt vanskeligt at udtømme specifikke proteiner fra ægceller ved genomredigering eller RNAi, da mange proteiner i disse celler lever meget længe. Schuh ville nu bruge Trim21 som et molekylært værktøj:Sammen med Clift, hun indførte antistoffer i ægcellerne, som var rettet mod et specifikt cellulært protein, i stedet for at være rettet mod vira. Trim21 genkendte antistoffet og leverede det antistofbundne protein til proteasomet til destruktion. Inden for få minutter, proteinet forsvandt fra cellen. Denne omdirigering af Trim21 til proteinet af interesse er det centrale princip i Trim-Away. "I bund og grund, Naturens værktøjskasse gav os alle de komponenter, vi havde brug for. Tricket var at vælge de rigtige og kombinere dem til et system, der fungerer til vores formål, " opsummerer Schuh.

En vanskelighed var, at mange celletyper ikke har tilstrækkelige mængder af Trim21 til at klare opgaven med at fjerne alt det antistofbundne protein. Forskerne overvandt dette problem ved at levere yderligere Trim21-protein ind i cellen sammen med antistoffet. Et lille "elektrisk stød" fik cellen til at optage proteinerne. "Da vi første gang identificerede Trim21 som en antistofreceptor for over ti år siden og efterfølgende viste, hvor effektivt det ødelægger virale proteiner, indså vi, at det kunne være et kraftfuldt værktøj, hvis det omprøves mod cellulære proteiner. resultaterne er endnu mere bemærkelsesværdige, end vi kunne have forestillet os, " siger James. Dette gælder også for Trim-Aways anvendelighed på langlivede proteiner og primære celler, som er celler, der tages direkte fra et væv.

En anden applikation er i makrofager, en type hvide blodlegemer:"Makrofager er fuldstændig utilgængelige for genomredigering eller RNAi, fordi de er særligt gode til at genkende fremmed DNA og RNA, som er centrale komponenter i disse teknikker", James forklarer. "Med Trim-Away er det nu muligt at udtømme proteiner fra makrofager for at studere deres funktion i denne specifikke celletype."

Ødelæggelse af sygdomsfremkaldende proteinvarianter

Et træk ved Trim-Away er, at det kan drage fordel af antistoffers bemærkelsesværdige specificitet, som ikke kun kan skelne mellem forskellige proteiner, men også mellem to forskellige varianter af det samme protein. Sådanne varianter spiller vigtige roller i mange sygdomme. Et fremtrædende eksempel er Huntingtons sygdom, en arvelig neurodegenerativ lidelse forårsaget af en mutation i en af ​​et individs to kopier af genet, der koder for proteinet huntingtin. Forskerne viste, at Trim-Away kan bruges til at fjerne den sygdomsfremkaldende variant af huntingtin fra vævskulturceller, mens den "normale" variant efterlades uskadt. "Selvfølgelig, at få dette til at virke i cellekultur er noget helt andet end at helbrede sygdommen, " Schuh understreger. "En terapeutisk anvendelse er stadig langt væk. Men vores arbejde kan åbne op for nye steder for behandling af sygdomme med antistoffer i fremtiden."