Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Neues Werkzeug für gezielten Proteinabbau

17.11.2017

An fast allen wichtigen Prozessen in unserem Körper sind Proteine beteiligt, und Störungen ihrer Funktion verursachen Krankheiten. Um zu verstehen, wie einzelne Proteine arbeiten, entfernen Forscher sie aus einer Zelle und analysieren die Effekte. Bisher gab es dafür prinzipiell zwei Methoden: die Genschere CRISPR/Cas und die RNA-Interferenz, die auf Ebene von DNA und RNA wirken. Ihr Einfluss auf Proteine ist jedoch indirekt und braucht Zeit. Eine neue Methode namens Trim-Away macht es nun möglich, Proteine direkt und schnell in jeder Art von Zelle abzubauen. Da Trim-Away zwischen Varianten eines Proteins unterscheiden kann, eröffnet es neue Ansätze für die Therapie von Krankheiten.

In jeder lebenden Zelle sind Zigtausende Proteine am Werk. Ihr Repertoire reicht von der Katalyse biochemischer Reaktionen über das Ausformen der Zelloberfläche bis hin zum Senden und Empfangen von Signalen. In ihrer Funktion gestörte Proteine verursachen zahlreiche Krankheiten wie Krebs oder Neurodegeneration. Daher wollen Molekularbiologen verstehen, wie Proteine in ihrem natürlichen Umfeld – der Zelle – arbeiten.


Trim-Away zerstört ein fluoreszierendes Protein in einer Eizelle direkt und schnell. Von links: Zelle vor dem Einschleusen von Antikörpern gegen das Protein sowie 10, 30 und 60 Minuten danach.

Dean Clift / MRC Laboratory of Molecular Biology

Um die Funktion eines Proteins zu erforschen, ist eine der wichtigsten Strategien, es aus der Zelle zu entfernen und zu untersuchen, wie sich dies auf zelluläre Prozesse auswirkt. Die dafür genutzten Techniken CRISPR/Cas und RNA-Interferenz (RNAi) schalten zwar die Produktion eines Proteins effizient ab. Allerdings beeinflussen sie die Menge eines Proteins nur indirekt. Außerdem sind sie nicht auf jede Art von Zelle und Protein anwendbar. Bisher gab es keine allgemein geeignete Methode, die diese Beschränkungen überwinden konnte.

Wissenschaftler am Max-Planck-Institut (MPI) für biophysikalische Chemie in Göttingen und am Medical Research Council Laboratory of Molecular Biology (MRC LMB) in Cambridge (Großbritannien) ist es jetzt gelungen, eine neue Methode zu entwickeln, die sich Trim-Away (übersetzt etwa: wegschneiden) nennt. „Mit Trim-Away ist es erstmals möglich, so ziemlich jedes beliebige Protein in jedem beliebigen Zelltyp abzubauen“, erläutert Melina Schuh, Direktorin am MPI für biophysikalische Chemie.

„Es ist sehr einfach anzuwenden und entfernt Proteine in nur wenigen Minuten. Das ist bedeutend schneller als alles, was sich mit CRISPR/Cas oder RNAi erreichen lässt – mit diesen Techniken dauert es typischerweise Stunden bis Tage, bis ein Protein entfernt ist. Das gibt der Zelle Zeit, Wege zu finden, den Verlust zu kompensieren. Das verschleiert manchmal die tatsächlichen Effekte.

Außerdem eignen sich CRISPR/Cas und RNAi nicht, um langlebige Proteine und Proteine aus Primärzellen zu untersuchen. Mit Trim-Away können wir diese Lücke nun schließen.“ „Wir können jetzt im Prinzip jede beliebige Zelle aus dem Körper nehmen und Proteine in dieser Zelle schnell zerstören, um die Auswirkungen auf zelluläre Prozesse unmittelbar zu untersuchen“, ergänzt Erstautor Dean Clift

Die neue Methode nutzt die Fähigkeiten eines zellulären Proteins

Im Zentrum der neuen Methode steht ein Protein, das im Labor von Leo James am MRC LMB entdeckt wurde: Trim21. Trim21 erkennt Antikörper, die an Viren geheftet in die Zelle gelangen. Es bindet an diese Antikörper, markiert den Komplex aus Antikörper und Virus als „Müll“ und übergibt ihn an den zellulären „Müllschlucker“, das Proteasom.

Schuh erkannte, dass diese Fähigkeit von Trim21 ihr dabei helfen konnte, ein Problem zu lösen, auf das sie in ihrer Forschung gestoßen war: Es hatte sich als ausgesprochen schwierig erwiesen, bestimmte Proteine mittels CRISPR/Cas oder RNAi aus Eizellen zu entfernen, da viele dieser Proteine sehr langlebig sind. Schuh wollte Trim21 nun als molekulares Werkzeug nutzen: Gemeinsam mit Clift schleuste sie Antikörper in die Zellen, die nicht gegen ein Virus, sondern gegen ein bestimmtes zelluläres Protein gerichtet waren.

Trim21 erkannte den Antikörper und lieferte das von ihm markierte Protein zur Zerstörung an das Proteasom. Innerhalb von Minuten verschwand es aus der Zelle. Diese Ausrichtung von Trim21 auf ein zelleigenes Protein ist das zentrale Prinzip von Trim-Away. „Im Grunde hat uns der Werkzeugkasten der Natur alle notwendigen Komponenten zur Verfügung gestellt. Der Trick war, die richtigen auszuwählen und zu einem System zu kombinieren, das unseren Zwecken dient“, fasst Schuh zusammen.

Eine Schwierigkeit bestand darin, dass in vielen Zelltypen die Mengen von Trim21 nicht ausreichen, um alle Antikörper-gebundenen Proteine zu entfernen. Die Forscher lösten dieses Problem, indem sie zusammen mit dem Antikörper zusätzliche Trim21-Proteine in die Zellen schleusten. Ein kleiner „Elektroschock“ brachte die Zellen dazu, die Proteine aufzunehmen.

„Als wir vor über zehn Jahren erstmals Trim21 als Antikörper-Rezeptor identifiziert hatten und anschließend zeigen konnten, wie effizient es virale Proteine zerstört, vermuteten wir, dass es ein wirksames Werkzeug sein könnte, wenn man es gegen zelluläre Proteine richtet. Das Ergebnis ist jetzt aber noch viel eindrücklicher als wir uns hätten träumen lassen“, sagt James. Dies gilt auch für die Anwendbarkeit von Trim-Away auf langlebige Proteine und Primärzellen, also Zellen, die direkt aus Gewebe entnommen wurden.

Eine weitere Anwendung liegt in Makrophagen, die zu den weißen Blutkörperchen gehören: „Makrophagen sind komplett unzugänglich für CRISPR/Cas und RNAi, da sie besonders gut darin sind, fremde DNA und RNA zu erkennen, und das sind zentrale Komponenten dieser Techniken“, erklärt James. „Mit Trim-Away ist es jetzt möglich, Proteine aus Makrophagen zu entfernen, um ihre Funktion in diesem Zelltyp zu untersuchen.“

Trim-Away könnte verwendet werden, um krankmachende Proteinvarianten zu zerstören

Trim-Away kann sich die bemerkenswerte Spezifität von Antikörpern zunutze machen, die nicht nur zwischen unterschiedlichen Proteinen, sondern auch zwischen zwei Varianten desselben Proteins unterscheiden können. Diese Varianten spielen in vielen Krankheiten eine Rolle. Ein prominentes Beispiel ist Chorea Huntington, eine erbliche neurodegenerative Erkrankung. Bei Betroffenen ist eine der beiden Gen-Kopien mutiert, die die Bauanleitung für das Protein Huntingtin liefern. Die Wissenschaftler zeigten, dass Trim-Away die krankmachende Variante von Huntingtin aus Gewebekulturzellen entfernen kann, während die „normale“ Variante unberührt bleibt. „Natürlich ist es etwas völlig anderes, dies in einer Zellkultur zu erreichen als die Krankheit zu heilen“, betont Schuh. „Eine therapeutische Anwendung ist noch weit entfernt. Aber unsere Arbeit eröffnet neue Möglichkeiten, um in Zukunft Krankheiten mit Antikörpern behandeln zu können.

Originalveröffentlichung:
Dean Clift, William A. McEwan, Larisa I. Labzin, Vera Konieczny, Binyam Mogessie,
Leo C. James, Melina Schuh: A method for the acute and rapid degradation of endogenous proteins. Cell, doi: 10.1016/j.cell.2017.10.033 (2017).

Kontakt:
Dr. Melina Schuh, Abteilung Meiose
Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie
Tel.: +49 551 201-26000
E-Mail: melina.schuh@mpibpc.mpg.de

Dr. Leo James, Protein & Nucleic Acid Chemistry Division
MRC Laboratory of Molecular Biology, Cambridge, Großbritannien
Tel.: +44 1223 267162
Mobil: +44 7496 016440
E-Mail: lcj@mrc-lmb.cam.ac.uk

Dr. Frederik Köpper, Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie
Tel.: +49 551 201-1310
E-Mail: frederik.koepper@mpibpc.mpg.de

Dr. Hilary Jones, Pressestelle des Medical Research Council, London, Großbritannien
Tel.: +44 207 395 2345
E-Mail: press.office@headoffice.mrc.ac.uk

Weitere Informationen:

http://www.mpibpc.mpg.de/15820330/pr_1723 - Original-Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für biophysikalische Chemie und des Medical Research Council
http://www.mpibpc.mpg.de/de/mschuh - Webseite der Abteilung Meiose, Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie, Göttingen
http://www2.mrc-lmb.cam.ac.uk/group-leaders/h-to-m/leo-james - Webseite der Gruppe Intracellular Immunity, MRC Laboratory of Molecular Biology, Cambridge, Großbritannien

Dr. Carmen Rotte | Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Krebsdiagnostik: Pinkeln statt Piksen?
25.05.2018 | Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

nachricht Kugelmühlen statt Lösungsmittel: Nanographene mit Mechanochemie
25.05.2018 | Technische Universität Dresden

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Starke IT-Sicherheit für das Auto der Zukunft – Forschungsverbund entwickelt neue Ansätze

Je mehr die Elektronik Autos lenkt, beschleunigt und bremst, desto wichtiger wird der Schutz vor Cyber-Angriffen. Deshalb erarbeiten 15 Partner aus Industrie und Wissenschaft in den kommenden drei Jahren neue Ansätze für die IT-Sicherheit im selbstfahrenden Auto. Das Verbundvorhaben unter dem Namen „Security For Connected, Autonomous Cars (SecForCARs) wird durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung mit 7,2 Millionen Euro gefördert. Infineon leitet das Projekt.

Bereits heute bieten Fahrzeuge vielfältige Kommunikationsschnittstellen und immer mehr automatisierte Fahrfunktionen, wie beispielsweise Abstands- und...

Im Focus: Powerful IT security for the car of the future – research alliance develops new approaches

The more electronics steer, accelerate and brake cars, the more important it is to protect them against cyber-attacks. That is why 15 partners from industry and academia will work together over the next three years on new approaches to IT security in self-driving cars. The joint project goes by the name Security For Connected, Autonomous Cars (SecForCARs) and has funding of €7.2 million from the German Federal Ministry of Education and Research. Infineon is leading the project.

Vehicles already offer diverse communication interfaces and more and more automated functions, such as distance and lane-keeping assist systems. At the same...

Im Focus: Mit Hilfe molekularer Schalter lassen sich künftig neuartige Bauelemente entwickeln

Einem Forscherteam unter Führung von Physikern der Technischen Universität München (TUM) ist es gelungen, spezielle Moleküle mit einer angelegten Spannung zwischen zwei strukturell unterschiedlichen Zuständen hin und her zu schalten. Derartige Nano-Schalter könnten Basis für neuartige Bauelemente sein, die auf Silizium basierende Komponenten durch organische Moleküle ersetzen.

Die Entwicklung neuer elektronischer Technologien fordert eine ständige Verkleinerung funktioneller Komponenten. Physikern der TU München ist es im Rahmen...

Im Focus: Molecular switch will facilitate the development of pioneering electro-optical devices

A research team led by physicists at the Technical University of Munich (TUM) has developed molecular nanoswitches that can be toggled between two structurally different states using an applied voltage. They can serve as the basis for a pioneering class of devices that could replace silicon-based components with organic molecules.

The development of new electronic technologies drives the incessant reduction of functional component sizes. In the context of an international collaborative...

Im Focus: GRACE Follow-On erfolgreich gestartet: Das Satelliten-Tandem dokumentiert den globalen Wandel

Die Satellitenmission GRACE-FO ist gestartet. Am 22. Mai um 21.47 Uhr (MESZ) hoben die beiden Satelliten des GFZ und der NASA an Bord einer Falcon-9-Rakete von der Vandenberg Air Force Base (Kalifornien) ab und wurden in eine polare Umlaufbahn gebracht. Dort nehmen sie in den kommenden Monaten ihre endgültige Position ein. Die NASA meldete 30 Minuten später, dass der Kontakt zu den Satelliten in ihrem Zielorbit erfolgreich hergestellt wurde. GRACE Follow-On wird das Erdschwerefeld und dessen räumliche und zeitliche Variationen sehr genau vermessen. Sie ermöglicht damit präzise Aussagen zum globalen Wandel, insbesondere zu Änderungen im Wasserhaushalt, etwa dem Verlust von Eismassen.

Potsdam, 22. Mai 2018: Die deutsch-amerikanische Satellitenmission GRACE-FO (Gravity Recovery And Climate Experiment Follow On) ist erfolgreich gestartet. Am...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Im Fokus: Klimaangepasste Pflanzen

25.05.2018 | Veranstaltungen

Größter Astronomie-Kongress kommt nach Wien

24.05.2018 | Veranstaltungen

22. Business Forum Qualität: Vom Smart Device bis zum Digital Twin

22.05.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Berufsausbildung mit Zukunft

25.05.2018 | Unternehmensmeldung

Untersuchung der Zellmembran: Forscher entwickeln Stoff, der wichtigen Membranbestandteil nachahmt

25.05.2018 | Interdisziplinäre Forschung

Starke IT-Sicherheit für das Auto der Zukunft – Forschungsverbund entwickelt neue Ansätze

25.05.2018 | Informationstechnologie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics