In ons lichaam, eiwitten voeren bijna alle essentiële processen uit, en eiwitstoringen veroorzaken veel ziekten. Om de functie van een eiwit te bestuderen, onderzoekers halen het uit de cel en analyseren vervolgens de gevolgen. De twee methoden die ze momenteel kunnen gebruiken, zijn genoombewerking door CRISPR/Cas, en RNA-interferentie. Ze werken op het niveau van DNA of RNA, respectievelijk. Echter, hun invloed op eiwithoeveelheden is indirect en kost tijd. Wetenschappers uit Duitsland en het VK presenteren nu een nieuwe methode, genaamd Trim-Away, waardoor het mogelijk is om direct en snel een eiwit uit elk celtype te verwijderen. Omdat Trim-Away onderscheid kan maken tussen verschillende varianten van een eiwit, het opent ook nieuwe locaties voor de therapie van ziekten.

In elke levende cel, vele duizenden eiwitten zijn aan het werk. Hun repertoire omvat alles van het katalyseren van biochemische reacties tot het vormgeven van het celoppervlak of het verzenden en ontvangen van signalen. Slecht functionerende eiwitten veroorzaken verschillende ziekten, waaronder kanker en neurodegeneratie. Daarom, het is van groot belang voor moleculair biologen om te begrijpen hoe eiwitten werken in hun natuurlijke omgeving - de cel.

Om de functie van een eiwit te onderzoeken, een van de belangrijkste strategieën is om het uit de cel te verwijderen en de effecten op cellulaire processen te bestuderen. Om een ​​eiwit af te breken, onderzoekers hebben twee belangrijke technieken bij de hand:genome editing door CRISPR/Cas, en RNA-interferentie (RNAi). Door zich te richten op het DNA of RNA van een cel, respectievelijk, ze stoppen efficiënt de productie van een eiwit. Echter, deze methoden hebben slechts indirect invloed op eiwithoeveelheden en zijn niet op elk type cel en eiwit toepasbaar. Tot nu, er was geen universeel toepasbare techniek beschikbaar die deze beperkingen kon overwinnen.

Wetenschappers van het Max Planck Institute for Biophysical Chemistry in Göttingen (Duitsland) en het MRC Laboratory of Molecular Biology in Cambridge (VK) zijn er nu in geslaagd een nieuwe methode te ontwikkelen, Trim-Away genoemd. "Met Trim-Away, het is voor het eerst mogelijk om bijna elk eiwit in elk type cel direct te targeten, " zegt Melina Schuh, Directeur bij het MPI voor Biofysische Chemie. "Het is heel eenvoudig te gebruiken en verwijdert eiwitten binnen enkele minuten. Dit is veel sneller dan alles wat je kunt bereiken met genome editing of RNAi - met deze technieken, het duurt meestal vele uren of zelfs dagen om een ​​eiwit uit te putten. Dit geeft de cel de tijd om mechanismen te ontwikkelen om het verlies te compenseren, die soms de werkelijke effecten maskeert. Bovendien, genome editing en RNAi zijn ongeschikt voor het bestuderen van langlevende eiwitten of eiwitten in primaire cellen. Met Trim-Away, we kunnen nu deze kloof dichten." "We kunnen nu in principe elke cel uit het lichaam nemen en eiwitten in deze cel snel vernietigen, waardoor we onmiddellijk de effecten op cellulaire processen kunnen bestuderen, ", voegt eerste auteur Dean Clift toe.

De vaardigheden van een cellulair eiwit benutten

Centraal in de nieuwe techniek staat een eiwit dat was ontdekt in het lab van Leo James in het MRC LMB:Trim21. Trim21 herkent aan virussen gehechte antistoffen die de cel binnenkomen. Het bindt aan deze antilichamen, labelt het antilichaam-virus-complex als "vuilnis", en overhandigt het aan de "vuilniskoker" van de cel, het proteasoom. Schuh realiseerde zich dat dit vermogen van Trim21 haar zou kunnen helpen een probleem op te lossen waarmee ze in haar onderzoek was geconfronteerd:het was buitengewoon moeilijk gebleken om specifieke eiwitten uit eicellen te verwijderen door middel van genoombewerking of RNAi, omdat veel eiwitten in deze cellen een zeer lange levensduur hebben. Schuh wilde nu Trim21 gebruiken als een moleculair hulpmiddel:samen met Clift, ze bracht in de eicellen antistoffen aan die gericht waren tegen een specifiek celeiwit, in plaats van gericht te zijn tegen virussen. Trim21 herkende het antilichaam en leverde het aan antilichaam gebonden eiwit aan het proteasoom voor vernietiging. Binnen enkele minuten, het eiwit verdween uit de cel. Deze omleiding van Trim21 naar het eiwit van belang is het centrale principe van Trim-Away. "In principe, De gereedschapskist van de natuur voorzag ons van alle componenten die we nodig hadden. De kunst was om de juiste te kiezen en ze te combineren tot een systeem dat werkt voor ons doel, ’ vat Schuh samen.

Een moeilijkheid was dat veel celtypen niet voldoende hoeveelheden Trim21 hebben om het hoofd te bieden aan de taak om al het aan antilichaam gebonden eiwit te verwijderen. De onderzoekers hebben dit probleem overwonnen door samen met het antilichaam extra Trim21-eiwit in de cel te brengen. Een kleine "elektrische schok" zorgde ervoor dat de cel de eiwitten opnam. "Toen we Trim21 meer dan tien jaar geleden voor het eerst identificeerden als een antilichaamreceptor en vervolgens lieten zien hoe efficiënt het virale eiwitten vernietigt, realiseerden we ons dat het een krachtig hulpmiddel zou kunnen zijn als het opnieuw zou worden gebruikt tegen cellulaire eiwitten. de resultaten zijn nog opmerkelijker dan we ons hadden kunnen voorstellen, "James zegt. Dit geldt ook voor de toepasbaarheid van Trim-Away op langlevende eiwitten en primaire cellen, dat zijn cellen die rechtstreeks uit een weefsel worden gehaald.

Een andere toepassing is in macrofagen, een type witte bloedcel:"Macrofagen zijn volledig ontoegankelijk voor genome editing of RNAi omdat ze bijzonder goed zijn in het herkennen van vreemd DNA en RNA, die centrale componenten van die technieken zijn", James legt uit. "Met Trim-Away is het nu mogelijk om eiwitten uit macrofagen uit te putten om hun functie in dit specifieke celtype te bestuderen."

Ziekteverwekkende eiwitvarianten vernietigen

Een kenmerk van Trim-Away is dat het voordeel kan halen uit de opmerkelijke specificiteit van antilichamen, die niet alleen onderscheid kan maken tussen verschillende eiwitten, maar ook tussen twee verschillende varianten van hetzelfde eiwit. Dergelijke varianten spelen een belangrijke rol bij veel ziekten. Een prominent voorbeeld is de ziekte van Huntington, een erfelijke neurodegeneratieve aandoening die wordt veroorzaakt door een mutatie in een van de twee exemplaren van een individu van het gen dat codeert voor het eiwit huntingtine. De wetenschappers toonden aan dat Trim-Away kan worden gebruikt om de ziekteverwekkende variant van huntingtine uit weefselkweekcellen te verwijderen, terwijl de "normale" variant ongedeerd blijft. "Natuurlijk, dit aan het werk krijgen in celcultuur is iets heel anders dan de ziekte genezen, Schuh benadrukt. "Een therapeutische toepassing is nog ver weg. Maar ons werk kan in de toekomst nieuwe mogelijkheden openen voor de behandeling van ziekten met antilichamen."