Wysoce efektywne i wszechstronne strategie dostarczania białka są kluczowe dla wielu podstawowych badań i zastosowań terapeutycznych. Bezpośrednie dostarczanie oczyszczonych białek do komórek stanowi jedną z najbezpieczniejszych i najłatwiejszych metod osiągnięcia tego celu. 1,2 W przeciwieństwie do strategii, które opierają się na ekspresji genów z kwasów nukleinowych,3-5 dostarczanie białek nie stwarza ryzyka mutagenezy insercyjnej, jest niezależne od komórkowej maszynerii transkrypcji/translacji i pozwala na natychmiastowy efekt. Jednak brak prostych i dających się uogólnić metod nadawania białkom aktywności penetrującej komórki rutynowo zakłóca ich bezpośrednie wejście do komórek. Obecne metody ułatwiające wewnątrzkomórkowe dostarczanie białek opierają się na wykorzystaniu naturalnie występujących6-8 lub zaprojektowanych peptydów penetrujących komórki9-12, doładowanych domen transdukcji13,14, nanocząstek15 i liposomów,16 cząstek wirusopodobnych 17,18 i polimerowych materiałów mikrosferycznych. 19 Niestety, wiele z tych podejść jest utrudnionych przez niskie wskaźniki wychwytu komórkowego,20,21 słabą stabilność,22 niezamierzoną specyficzność typu komórki,23niskie właściwości ucieczki endosomalnej24 i toksyczność. 25 Ponadto wiele technologii transdukcji białek zmniejsza bioaktywność dostarczanych białek. 14
Nasze laboratorium wcześniej wykazało, że białka nukleazy palca cynkowego (ZFN) — chimeryczne endonukleazy restrykcyjne składające się z programowalnego białka wiążącego DNA Cys2-His 2 z palcami cynkowymi i domeny rozszczepienia endonukleazy restrykcyjnej FokI26-28 — są z natury przepuszczalne dla komórek. Wykazano, że ta zaskakująca aktywność penetrująca komórki jest wewnętrzną właściwością specjalnie zaprojektowanej domeny palca cynkowego, platformy wiążącej DNA, która pojawiła się jako potężne narzędzie do ukierunkowanej inżynierii genomu i uważana za wynik konstelacji sześciu dodatnio naładowanych reszt na powierzchni białka. Rzeczywiście, wykazano, że kilka białek wiążących DNA, w tym c-Jun i N-DEK, ma wrodzoną zdolność do przenikania przez błony komórkowe. 33 Niedawno nasze laboratorium rozszerzyło te wyniki i wykazało, że aktywność przenikania do komórek domen palca cynkowego (ZiF) może być wykorzystana do wewnątrzkomórkowego dostarczania białek. Genetyczna fuzja jedno- lub dwupalcowych domen ZiF z określonym ładunkiem białkowym doprowadziła do zwiększenia wydajności wychwytu, która przewyższyła wiele konwencjonalnych systemów dostarczania peptydów penetrujących komórki. 34 Przede wszystkim dostarczanie za pośrednictwem ZiF nie zagroziło aktywności skondensowanego ładunku enzymatycznego i ułatwiło wysokie poziomy dostarczania cytozolu. Podsumowując, odkrycia te pokazują potencjał domeny ZiF w zakresie ułatwiania wydajnego i łatwego dostarczania białek i potencjalnie bardziej zróżnicowanych typów makrocząsteczek do komórek.
Tutaj przedstawiono szczegółowy protokół krok po kroku, jak wdrożyć technologię ZiF do dostarczania białek w komórkach ssaków. Wcześniej skonstruowaliśmy zestaw jedno-, dwu-, trzy-, cztero-, pięcio- i sześciopalcowych domen ZiF, które nie mają zdolności do wiązania DNA, ze względu na podstawienie każdej z reszt wiążących α-helisowe DNA, ale są zdolne do dostarczania białek do komórek34 (Figura 1). Opisano produkcję i transdukcję szmaragdowego GFP (EmGFP) do komórek HeLa przy użyciu dwupalcowej domeny ZiF. Protokół ten można rozszerzyć na prawie każde białko zdolne do rozpuszczalnej ekspresji w Escherichia coli i prawie każdym typie komórek ssaków. Przedstawiono oczekiwane wyniki, a także omówiono strategie maksymalizacji wydajności tego systemu.