В нашем организме белки осуществляют почти все необходимые процессы, а нарушение работы белков вызывает множество заболеваний. Чтобы изучить функцию белка, исследователи удаляют его из клетки, а затем анализируют последствия. В настоящее время они обычно могут использовать два метода: редактирование генома с помощью CRISPR/Cas и РНК-интерференцию. Они действуют на уровне ДНК или РНК соответственно. Однако их влияние на количество белка является косвенным и требует времени. Ученые из Германии и Великобритании представили новый метод под названием Trim-Away, который позволяет напрямую и быстро истощать белок из клеток любого типа. Поскольку Trim-Away может различать разные варианты белка, он также открывает новые возможности для лечения заболеваний.
В каждой живой клетке работают многие тысячи белков. Их репертуар включает в себя все, от катализа биохимических реакций до формирования клеточной поверхности или отправки и получения сигналов. Неправильно функционирующие белки вызывают различные заболевания, в том числе рак и нейродегенерацию. Поэтому для молекулярных биологов представляет большой интерес понять, как белки ведут себя в своей естественной среде - клетке.
Для изучения функции белка одной из наиболее важных стратегий является его удаление из клетки и изучение влияния на клеточные процессы. Чтобы истощить белок, у исследователей есть два основных метода: редактирование генома с помощью CRISPR/Cas и РНК-интерференция (РНКи). Воздействуя на ДНК или РНК клетки соответственно, они эффективно останавливают производство белка. Однако эти методы влияют на количество белка лишь косвенно и применимы не ко всем типам клеток и белков. До сих пор не существовало универсально применимой техники, которая могла бы преодолеть эти ограничения.
Ученым из Института биофизической химии им. Макса Планка в Геттингене (Германия) и Лаборатории молекулярной биологии MRC в Кембридже (Великобритания) удалось разработать новый метод под названием Trim-Away. «С помощью Trim-Away впервые можно напрямую нацеливаться практически на любой белок в любом типе клеток», - говорит Мелина Шух, директор MPI по биофизической химии. «Он очень прост в использовании и удаляет белки за считанные минуты. Это намного быстрее, чем все, чего можно достичь с помощью редактирования генома или РНК-интерференции - с помощью этих методов обычно требуется много часов или даже дней, чтобы истощить белок. Это дает клетке время чтобы разработать механизмы для компенсации потери, которая иногда маскирует фактические эффекты. Кроме того, редактирование генома и РНКи непригодны для изучения долгоживущих белков или белков в первичных клетках. Теперь с Trim-Away мы можем закрыть этот пробел.«Теперь мы можем взять практически любую клетку из организма и быстро разрушить белки внутри этой клетки, что позволит нам немедленно изучить влияние на клеточные процессы», - добавляет первый автор Дин Клифт.
Использование возможностей клеточного белка
Основным элементом новой методики является белок, обнаруженный в лаборатории Лео Джеймса в MRC LMB: Trim21. Trim21 распознает антитела, которые проникают в клетку, прикрепленную к вирусам. Он связывается с этими антителами, помечает комплекс антитело-вирус как «мусор» и передает его «мусорному желобу» клетки, протеасоме. Шух поняла, что эта способность Trim21 может помочь ей преодолеть проблему, с которой она столкнулась в своих исследованиях: оказалось исключительно трудно истощить определенные белки из яйцеклеток с помощью редактирования генома или РНК-интерференции, поскольку многие белки в этих клетках очень долгоживущие.. Теперь Шу захотела использовать Trim21 в качестве молекулярного инструмента: вместе с Клифтом она вводила в яйцеклетки антитела, направленные против определенного клеточного белка, а не против вирусов. Trim21 распознавал антитело и доставлял связанный с антителом белок в протеасому для разрушения. Через несколько минут белок исчез из клетки. Это перенаправление Trim21 на интересующий белок является центральным принципом Trim-Away. «По сути, набор инструментов Nature предоставил нам все необходимые компоненты. Хитрость заключалась в том, чтобы выбрать правильные и объединить их в систему, которая работает для нашей цели», - резюмирует Шух.
Трудность заключалась в том, что многие типы клеток не имеют достаточного количества Trim21, чтобы справиться с задачей удаления всего белка, связанного с антителами. Исследователи преодолели эту проблему, доставив в клетку дополнительный белок Trim21 вместе с антителом. Небольшой «электрический удар» заставил клетку принять белки. «Когда мы впервые идентифицировали Trim21 как рецептор антител более десяти лет назад и впоследствии показали, насколько эффективно он разрушает вирусные белки, мы поняли, что он может быть мощным инструментом, если его переназначить против клеточных белков. Однако результаты еще более замечательны, чем мы могли себе представить», - говорит Джеймс. Это также относится к применимости Trim-Away к долгоживущим белкам и первичным клеткам, то есть к клеткам, взятым непосредственно из ткани.
Еще одно приложение относится к макрофагам, типу лейкоцитов: «Макрофаги совершенно недоступны для редактирования генома или РНКи, потому что они особенно хорошо распознают чужеродную ДНК и РНК, которые являются центральными компонентами этих методов», Джеймс объясняет. «С Trim-Away теперь можно истощать белки из макрофагов, чтобы изучить их функцию в этом конкретном типе клеток».
Уничтожение болезнетворных вариантов белка
Особенность Trim-Away заключается в том, что он может использовать замечательную специфичность антител, которые могут различать не только разные белки, но и два разных варианта одного и того же белка. Такие варианты играют важную роль при многих заболеваниях. Ярким примером является болезнь Хантингтона, наследственное нейродегенеративное заболевание, вызванное мутацией в одной из двух индивидуальных копий гена, кодирующего белок хантингтин. Ученые показали, что Trim-Away можно использовать для удаления болезнетворного варианта гентингтина из клеток культуры ткани, оставляя «нормальный» вариант невредимым. «Конечно, заставить это работать в клеточной культуре - это нечто совершенно иное, чем лечение болезни», - подчеркивает Шух. «До терапевтического применения еще далеко. Но наша работа может открыть новые возможности для лечения болезней с помощью антител в будущем».