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《Cell》:超越CRISPR的新技术,直接靶向细胞蛋白

2017-11-21  来源:生物通    编辑:陌莉花开
导读
在人体中,蛋白质执行着几乎所有我们需要的生物进程,如果蛋白质功能出现问题就会导致许多疾病。为了研究蛋白质的功能,研究人员需要将其从细胞中剔除,然后分析这样导致的后果。目前
在人体中,蛋白质执行着几乎所有我们需要的生物进程,如果蛋白质功能出现问题就会导致许多疾病。为了研究蛋白质的功能,研究人员需要将其从细胞中剔除,然后分析这样导致的后果。目前比较常用的方法是CRISPR-Cas基因组编辑和RNA干扰技术,这两种分别针对于DNA和RNA的水平。但是这些方法对蛋白质的影响是间接的,需要时间的。

近期来自德国和英国的科学家们提出了一种叫做 Trim-Away 的新方法, Trim-Away可以直接快速剔除任何细胞类型中的蛋白质。这种方法的一大优势在于可以区分蛋白质的不同变体,因此也为疾病的治疗打开了一扇新的门。

这一研究成果公布在11月16日的Cell杂志上。文章的通讯作者,德国马普生物物理化学研究所Melina Schuh表示,“利用Trim-Away,我们第一次可以在任何类型细胞中直接靶向任何蛋白。这种方法非常简单,可以在几分钟内剔除蛋白质,而且比基因组编辑或RNAi技术要快得多,这两种方法通常需要几个小时甚至几天的时间才能剔除蛋白,这给了细胞时间去发展用于补偿的机制,有时就会掩盖实际效应。此外,基因组编辑和RNAi并不适用于研究长时间存在的蛋白,和原代细胞中的蛋白,现在利用Trim-Away,我们就可以填补这个空白了。

“现在理论上,我们可以从体内获取任何细胞,然后迅速破坏细胞内的蛋白质,立即研究这对细胞过程的影响”,文章的第一作者Dean Clift补充说。

在每一个活细胞中都有数以千计的蛋白质行驶着它们的功能,包括催化生化反应,塑造细胞表面,发送和接收信号。蛋白功能障碍会引起各种疾病,比如癌症和神经变性。因此,对于分子生物学家来说,了解蛋白质在自然环境中如何发挥作用至关重要。

研究人员为了分析蛋白质的功能,现阶段采用的最重要的方法之一是在细胞中剔除蛋白,研究这对细胞过程产生的影响。剔除蛋白质的两大主要技术:CRISPR-Cas基因组编辑和RNA干扰(RNAi)通过靶向细胞中的DNA或RNA,有效地关闭了蛋白的生成。但是,这些方法只是间接的影响了蛋白表达量,而且并不适用于所有类型的细胞和蛋白质。迄今为止,还没有可以普遍适用的技术可以克服这些限制。

Trim-Away技术核心

Trim-Away 这一新技术的核心是来自英国MRC分子生物学实验室的Leo James研究组发现的一种蛋白:Trim21,Trim21能识别进入细胞病毒附着的抗体,它与这些抗体结合,将抗体-病毒复合体标记为“垃圾”,然后这一复合物被传递给细胞的“垃圾桶”,即蛋白酶体。

Schuh意识到Trim21的这种能力可以帮助她克服在研究中遇到的问题:通过基因组编辑或者RNAi从卵细胞中剔除特定的蛋白质是非常困难的,因为这些蛋白能在细胞中保存很长的时间。Schuh尝试利用Trim21作为分子工具,她与Clift一道,将抗体导入到卵细胞中,直接靶向一种特异性细胞蛋白,而不是直接针对病毒。结果发现,Trim21识别出了抗体,并将与抗体结合的蛋白质传递到了蛋白酶体,进行摧毁。几分钟后,细胞中的这种蛋白就消失了。


将Trim21重定向到感兴趣的蛋白质就是Trim-Away的核心原理。“其实从根本上来说,自然的工具箱已经为我们提供了我们需要的所有组件,重要的诀窍就是要选择合适的组件,并将它们优化成为我们的目的而工作的系统,”Schuh总结说。

还有另外一个问题——许多细胞类型没有足够量的Trim21来完成剔除所有抗体结合蛋白的任务。为此研究人员需要提供额外的Trim21蛋白来克服这个问题,他们采用的是“电击”让蛋白进入细胞。

“在十年前我们首次发现Trim21可以作为一种抗体受体,并随后证明了它能有效破坏病毒蛋白,之后我们意识到如果需要重新安排细胞蛋白的功能时,这会是一种很高的工具。而结果证明效果比我们想象的还要好,”James说。

此外,Trim-Away也可以用于巨噬细胞(一种白细胞),“巨噬细胞完全无法通过基因组编辑或RNAi进行分析,因为它们特别擅长识别外来DNA和RNA。现在有了Trim-Away,就可以从巨噬细胞中剔除蛋白质,研究这种特定细胞类型中的蛋白功能。”

摧毁致病蛋白质突变

Trim-Away的一大特点是可以利用抗体的显著特异性,区分不同的蛋白质,而且还可以区分同一蛋白质两种不同的突变。在许多疾病中都存在蛋白突变,比如亨廷顿舞蹈症,这是一种遗传性神经退行性疾病,其病因就是huntingtin蛋白的两个基因拷贝中出现了一个突变。利用Trim-Away可以剔除组织培养细胞中的huntingtin致病蛋白,同时保持正常的蛋白不受影响。 Schuh强调说:“当然,实际治疗与细胞培养完全不同。治疗应用还很遥远,但是我们的这项工作将会为将来抗体治疗疾病开辟打开新的大门。”

原文标题:

A Method for the Acute and Rapid Degradation of Endogenous Proteins



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