I våra kroppar, proteiner utför nästan alla väsentliga processer, och proteinfel orsakar många sjukdomar. För att studera ett proteins funktion, forskare tar bort det från cellen och analyserar sedan konsekvenserna. De två metoder som de vanligtvis kan använda för närvarande är genomredigering av CRISPR/Cas, och RNA-interferens. De verkar på nivån av DNA eller RNA, respektive. Dock, deras inverkan på proteinmängderna är indirekt och tar tid. Forskare från Tyskland och Storbritannien presenterar nu en ny metod, kallas Trim-Away, vilket gör det möjligt att direkt och snabbt tömma ett protein från vilken celltyp som helst. Eftersom Trim-Away kan skilja mellan olika varianter av ett protein, det öppnar också upp nya arenor för terapi av sjukdomar.

I varje levande cell, många tusen proteiner är i arbete. Deras repertoar omfattar allt från att katalysera biokemiska reaktioner till att forma en cells yta eller att skicka och ta emot signaler. Felaktiga proteiner orsakar olika sjukdomar, inklusive cancer och neurodegeneration. Därför, det är av stort intresse för molekylärbiologer att förstå hur proteiner verkar i sin naturliga miljö - cellen.

För att undersöka ett proteins funktion, en av de viktigaste strategierna är att ta bort det från cellen och att studera effekterna på cellulära processer. För att tömma ett protein, forskare har två huvudtekniker till hands:genomredigering av CRISPR/Cas, och RNA-interferens (RNAi). Genom att rikta in sig på en cells DNA eller RNA, respektive, de stoppar effektivt produktionen av ett protein. Dock, dessa metoder påverkar proteinmängder endast indirekt och är inte tillämpliga på alla typer av celler och proteiner. Tills nu, det fanns ingen allmänt tillämpbar teknik tillgänglig som kunde övervinna dessa begränsningar.

Forskare vid Max Planck Institute for Biophysical Chemistry i Göttingen (Tyskland) och MRC Laboratory of Molecular Biology i Cambridge (UK) har nu lyckats utveckla en ny metod, kallas Trim-Away. "Med Trim-Away, det är möjligt för första gången att direkt rikta in sig på nästan vilket protein som helst i vilken typ av cell som helst, " säger Melina Schuh, Direktör vid MPI för biofysisk kemi. "Det är väldigt enkelt att använda och tar bort proteiner inom några minuter. Detta är mycket snabbare än något du kan uppnå med genomredigering eller RNAi - med dessa tekniker, det tar vanligtvis många timmar eller till och med dagar att tömma ett protein. Detta ger cellen tid att utveckla mekanismer för att kompensera för förlusten, vilket ibland döljer de faktiska effekterna. Dessutom, genomredigering och RNAi är olämpliga för att studera långlivade proteiner eller proteiner i primära celler. Med Trim-Away, vi kan nu stänga denna lucka." "Vi kan nu ta i princip vilken cell som helst från kroppen och snabbt förstöra proteiner inuti denna cell, så att vi omedelbart kan studera effekterna på cellulära processer, ", tillägger förstaförfattaren Dean Clift.

Utnyttja kompetensen hos ett cellulärt protein

Centralt i den nya tekniken är ett protein som hade upptäckts i Leo James labb vid MRC LMB:Trim21. Trim21 känner igen antikroppar som kommer in i cellen kopplade till virus. Det binder till dessa antikroppar, taggar antikropp-virus-komplexet som "skräp", och lämnar över den till cellens "sopnedkast", proteasomen. Schuh insåg att denna förmåga hos Trim21 kan hjälpa henne att övervinna ett problem som hon hade ställts inför i sin forskning:det hade visat sig vara exceptionellt svårt att utarma specifika proteiner från äggceller genom genomredigering eller RNAi, eftersom många proteiner i dessa celler är mycket långlivade. Schuh ville nu använda Trim21 som ett molekylärt verktyg:Tillsammans med Clift, hon introducerade antikroppar i äggcellerna som var riktade mot ett specifikt cellulärt protein, istället för att riktas mot virus. Trim21 kände igen antikroppen och levererade det antikroppsbundna proteinet till proteasomen för destruktion. Inom några minuter, proteinet försvann från cellen. Denna omdirigering av Trim21 till proteinet av intresse är den centrala principen för Trim-Away. "I grund och botten, Naturens verktygslåda försåg oss med alla komponenter vi behövde. Tricket var att välja rätt och kombinera dem till ett system som fungerar för vårt syfte, " Sammanfattar Schuh.

En svårighet var att många celltyper inte har tillräckliga mängder Trim21 för att klara uppgiften att ta bort allt antikroppsbundet protein. Forskarna övervann detta problem genom att leverera ytterligare Trim21-protein in i cellen tillsammans med antikroppen. En liten "elektrisk chock" fick cellen att ta upp proteinerna. "När vi först identifierade Trim21 som en antikroppsreceptor för över tio år sedan och sedan visade hur effektivt det förstör virala proteiner insåg vi att det kunde vara ett kraftfullt verktyg om det omprövas mot cellulära proteiner. resultaten är ännu mer anmärkningsvärda än vi hade kunnat föreställa oss, " säger James. Detta gäller även för Trim-Aways tillämpbarhet på långlivade proteiner och primära celler, som är celler som tas direkt från en vävnad.

En annan applikation är i makrofager, en typ av vita blodkroppar:"Makrofager är helt otillgängliga för genomredigering eller RNAi eftersom de är särskilt bra på att känna igen främmande DNA och RNA, som är centrala komponenter i dessa tekniker", James förklarar. "Med Trim-Away är det nu möjligt att tömma proteiner från makrofager för att studera deras funktion i denna specifika celltyp."

Förstör sjukdomsframkallande proteinvarianter

En egenskap hos Trim-Away är att den kan dra fördel av den anmärkningsvärda specificiteten hos antikroppar, som inte bara kan skilja mellan olika proteiner utan även mellan två olika varianter av samma protein. Sådana varianter spelar viktiga roller i många sjukdomar. Ett framträdande exempel är Huntingtons sjukdom, en ärftlig neurodegenerativ störning orsakad av en mutation i en av en individs två kopior av genen som kodar för proteinet huntingtin. Forskarna visade att Trim-Away kan användas för att ta bort den sjukdomsframkallande varianten av huntingtin från vävnadsodlingsceller samtidigt som den "normala" varianten lämnas oskadd. "Självklart, att få detta att fungera i cellkultur är något helt annat än att bota sjukdomen, " Schuh betonar. "En terapeutisk tillämpning är fortfarande långt borta. Men vårt arbete kan öppna upp nya platser för att behandla sjukdomar med antikroppar i framtiden."