Potente técnica que permite a los científicos estudiar cómo las proteínas cambian de forma dentro de las células
Comprender cómo las proteínas se doblan, retuercen y cambian de forma a medida que funcionan en las células es extremadamente importante para comprender la biología y las enfermedades normales. Pero una comprensión profunda de la dinámica de las proteínas ha sido en general difícil de alcanzar debido a la falta de buenos métodos de obtención de imágenes de proteínas en funcionamiento. Hoy, por primera vez, los científicos de la Facultad de Medicina de la UNC han inventado un método que podría permitir que este campo dé un gran salto hacia adelante.
La nueva técnica de «binder-tag» de los científicos, descrito en un artículo en Cell, permite a los investigadores localizar y rastrear proteínas que tienen la forma o «conformación» deseada y hacerlo en tiempo real dentro de las células vivas. Los científicos han demostrado la técnica en, esencialmente, películas que siguen la versión activa de una proteína de señalización importante, una molécula, en este caso, importante para el crecimiento celular.
“Nadie ha podido desarrollar un método que pueda hacer, de manera tan generalizable, lo que hace este método. Así que creo que podría tener un gran impacto ”, dijo el coautor principal del estudio. Klaus Hahn, PhD, Profesor Distinguido de Farmacología Ronald G. Thurman y Director del Centro de Imágenes UNC-Olympus, Facultad de Medicina de la UNC.
El trabajo fue una colaboración entre el laboratorio de Hahn y el laboratorio del experto en análisis de imágenes. Timothy Elston, PhD, profesor de farmacología y codirector del programa de medicina computacional de la Facultad de Medicina de la UNC. Ambos son miembros del UNC Lineberger Comprehensive Cancer Center.
Filmando al pequeño
El nuevo método, como todas las técnicas de imágenes biológicas, resuelve el problema fundamental de que muchas moléculas que actúan en las células vivas no se pueden visualizar de forma directa y precisa con un microscopio óptico ordinario. En las escalas donde operan las proteínas, la luz viaja en enormes ondas que se enroscan alrededor de los objetos y no pueden representarlos con nitidez.
Un enfoque a este problema, particularmente cuando se van a obtener imágenes de proteínas en sus hábitats de células vivas normales, ha sido etiquetar las proteínas objetivo con etiquetas fluorescentes, de modo que al menos las emisiones de luz de las balizas puedan verse y capturarse directamente por microscopía. – por ejemplo, para mapear los lugares donde una proteína particular actúa en una célula. Una técnica llamada FRET (transferencia de energía resonante de Förster), que se basa en efectos cuánticos exóticos, integra pares de balizas de este tipo en proteínas diana de tal manera que su luz cambia dependiendo de la conformación de la proteína. Esto permite estudiar la dinámica de las proteínas a medida que cambian de forma dentro de las células. Pero FRET y otros métodos existentes tienen limitaciones, como señales fluorescentes débiles, que limitan severamente su utilidad.
El nuevo método de unión de etiquetas comienza insertando una pequeña «etiqueta» molecular en una proteína en estudio y usando una molécula separada que se une a la etiqueta solo cuando la proteína que contiene la etiqueta adquiere una determinada forma o conformación, como cuando el La proteína es activa para ayudar a una célula a realizar una función particular. La colocación de etiquetas fluorescentes apropiadas en el aglutinante y / o la molécula marcadora permite que un investigador obtenga imágenes, a lo largo del tiempo, de las ubicaciones precisas de las proteínas marcadas que se encuentran en una conformación particular de interés.
El método es compatible con una amplia gama de balizas, incluidas balizas que son mucho más eficientes que los pares de balizas interactivas necesarios para FRET ordinario. La etiqueta de encuadernación se puede usar incluso para construir sensores FRET más fácilmente, dijo Hahn. Además, las moléculas de la etiqueta de unión se han elegido de modo que nada en las células pueda reaccionar con ellas e interferir con su función de formación de imágenes.
El resultado neto, según Hahn, es una técnica robusta que, en principio, puede manejar una amplia variedad de estudios de dinámica de proteínas que antes estaban fuera de su alcance, incluidos estudios de proteínas escasamente presentes en las células.
En el artículo de Cell, Hahn y sus colegas discuten varias demostraciones de prueba de principio. Utilizaron el nuevo método para obtener imágenes de una proteína de señalización de crecimiento importante llamada Src para revelar, con un detalle sin precedentes, cómo forma pequeñas islas de actividad. Esto, a su vez, permitió a los investigadores analizar los factores que afectan las funciones biológicas de la proteína.
«Con este método, podemos ver, por ejemplo, cómo las diferencias microambientales en una célula afectan, a menudo profundamente, lo que hace una proteína», dijo Hahn.
Ahora, los investigadores están utilizando la técnica para mapear la dinámica de otras proteínas importantes. También están haciendo otras demostraciones para mostrar cómo la etiqueta de unión se puede adaptar para capturar la dinámica de una amplia variedad de estructuras y funciones de proteínas, y no solo proteínas que funcionan como Src.
Los científicos imaginan que la etiqueta de unión se convertirá en última instancia en una técnica habilitadora básica para el estudio de proteínas normales, estructuras multimoleculares más grandes en las células e incluso proteínas disfuncionales asociadas con enfermedades como la enfermedad de Alzheimer.
«Para muchas enfermedades relacionadas con las proteínas, los científicos no han podido averiguar por qué las proteínas comienzan a hacer lo incorrecto», dijo Hahn. «Las herramientas para obtener esa comprensión simplemente no estaban disponibles».
Bei Liu, Orrin Stone, Michael Pablo, Cody Herron, Ana Nogueira, Onur Dagliyan, Jonathan Grimm, Luke Lavis, Timothy escribieron el artículo de Cell, titulado «Los biosensores basados en la exposición a péptidos muestran conformaciones de moléculas únicas en células vivas». Elston y Klaus Hahn.
La investigación fue financiada por los Institutos Nacionales de Salud (R35GM122596, R35GM127145).
