Our cells turn genetic instructions into proteins with great precision. Critical for the translation of this information are transfer RNAs, or tRNAs, small molecules that read the genetic code three letters at a time and bring the matching building blocks of proteins, the amino acids, to the cell's protein-making machinery, the ribosome.

Every cell holds millions of tRNAs, but only some are busy at work in the ribosome. Until now, scientists have studied them by measuring all of the tRNAs in a cell at once, assuming this gives a fair picture of the ones actually doing the job.

Today in Nature Methods, researchers at the Centre for Genomic Regulation (CRG) in Barcelona describe a technique that looks only at the tRNAs on ribosomes busy making proteins. It shows that the tRNAs at work can differ from the cell's overall stock, particularly when cells are under stress, a difference that standard techniques miss.

“The field has largely assumed that sequencing all the tRNAs in a cell gives a good picture of the ones working in protein production. Our work shows that this is not necessarily the case, particularly under stress,” said Dr Mie Monti, the study's first author.

When cells were starved of leucine, one of the building blocks of protein, the team saw the tRNAs piling up on the ribosome, when the expectation would be for tRNAs to disappear entirely.

The results suggest some changes inside cells may have gone unnoticed. Cancer cells, for example, are known to use tRNAs differently from healthy cells, but Dr Monti says this had only been studied by counting every tRNA in the cell.

Human cells also carry several versions of many tRNAs. Using viral infections as an example, Dr Monti says the new approach could show exactly which tRNA molecule a virus relies on. In principle, that could point to new ways of blocking an infection.

The biggest implication of the study is that it might accelerate the development of a new kind of medicine for genetic diseases.

About one in 10 of the genetic errors known to cause inherited disease are typos that tell the cell to stop making a protein too early. Specially designed tRNAs can read past the false stop sign and restore the full protein without changing a patient's DNA.

Experimental tRNA medicines have already restored missing proteins in cells and mice in studies of cystic fibrosis and Duchenne muscular dystrophy, and one was cleared this year for its first trial in people. Because the same typo can appear in many different genes, one tRNA medicine could in theory treat many unrelated conditions.

“A single tRNA medicine could, in principle, be used to treat multiple unrelated rare diseases. This would be transformative for rare disease patients, as these groups are otherwise too fragmented for conventional drug development,” says ICREA Research Professor Eva Novoa, who led the study.

The method could also help those designing such medicines. “One thing is to design a tRNA that works in a test tube. Another is to know that it will actually go to the ribosome in sufficient amounts to be used by the cell,” explains Dr Monti.

The authors of the study expect their new method, called tRIBO-seq, will become a routine tool for finding the most promising candidate medicines. The team co-developed it with the Italian company IMMAGINA Biotechnology.

The method works by fishing for ribosomes that are busy making proteins in a cell. The tRNAs inside are then read one by one, showing which are in use, which chemical tags they carry and whether any are damaged, all in a single experiment.

Conventional methods require about a week of growing cells and need specialist equipment. The CRG's method needs a single dish of cells and about a day and a half.
 

EN CASTELLANO

Un nuevo método podría acelerar el desarrollo de fármacos de ARNt para enfermedades genéticas

Nuestras células convierten las instrucciones genéticas en proteínas con gran precisión. En la traducción de esa información desempeñan un papel clave los ARN de transferencia, o ARNt, pequeñas moléculas que leen el código genético de tres en tres letras y llevan las piezas de construcción correspondientes, los aminoácidos, hasta la maquinaria de la célula que fabrica las proteínas: el ribosoma.

Cada célula alberga millones de ARNt, pero solo algunos trabajan en el ribosoma. Hasta ahora, la comunidad científica ha estudiado los ARNt midiendo todos los que hay en una célula a la vez, dando por hecho que así se obtiene una imagen fiel de los que realmente hacen el trabajo.

Un equipo del Centro de Regulación Genómica (CRG) de Barcelona describe hoy en Nature Methods una técnica que se fija únicamente en los ARNt presentes en los ribosomas que están fabricando proteínas. La técnica revela que los ARNt en activo pueden diferir del conjunto total de la célula, sobre todo cuando las células están sometidas a estrés, una diferencia que las técnicas convencionales no detectan.

"En nuestro campo se ha dado por supuesto, en gran medida, que secuenciar todos los ARNt de una célula ofrece una buena imagen de los que intervienen en la producción de proteínas. Nuestro trabajo muestra que no tiene por qué ser así, sobre todo en situaciones de estrés", afirma la Dra. Mie Monti, primera autora del estudio.

Al privar a las células de leucina, una de las piezas de construcción de las proteínas, el equipo observó que los ARNt se acumulaban en el ribosoma, cuando lo esperable habría sido que desaparecieran por completo.

Los resultados sugieren que algunos cambios en el interior de las células podrían haber pasado desapercibidos. Se sabe, por ejemplo, que las células tumorales utilizan los ARNt de forma distinta a las sanas, pero, según la Dra. Monti, esto solo se había estudiado contando todos los ARNt de la célula.

Además, las células humanas tienen varias versiones de muchos ARNt. La Dra. Monti pone como ejemplo las infecciones víricas: el nuevo enfoque podría mostrar exactamente de qué molécula de ARNt depende un virus. En principio, eso podría señalar nuevas vías para bloquear una infección.

La principal implicación del estudio es que podría acelerar el desarrollo de un nuevo tipo de fármaco contra las enfermedades genéticas.

Alrededor de uno de cada diez de los errores genéticos identificados como causa de enfermedades hereditarias es una errata que le indica a la célula que deje de fabricar una proteína antes de tiempo. Algunos ARNt diseñados a medida pueden seguir leyendo más allá de esa falsa señal de stop y restablecer la proteína completa sin modificar el ADN de la persona.

En estudios sobre la fibrosis quística y la distrofia muscular de Duchenne, varios fármacos experimentales de ARNt ya han logrado restablecer proteínas ausentes en células y ratones, y uno de ellos recibió este año la autorización para su primer ensayo clínico en personas. Como una misma errata puede aparecer en muchos genes distintos, un solo fármaco de ARNt podría, en teoría, tratar muchas enfermedades sin relación entre sí.

"Un único fármaco de ARNt podría, en principio, utilizarse para tratar varias enfermedades raras sin relación entre sí. Esto supondría un cambio radical para las personas con enfermedades raras, ya que, de lo contrario, son grupos demasiado fragmentados para el desarrollo convencional de fármacos", señala la profesora de investigación ICREA Eva Novoa, que ha liderado el estudio.

El método también podría ser útil para quienes diseñan este tipo de fármacos. "Una cosa es diseñar un ARNt que funcione en un tubo de ensayo. Otra, saber que realmente llegará al ribosoma en cantidad suficiente para que la célula lo utilice", explica la Dra. Monti.

Quienes firman el estudio esperan que su nuevo método, llamado tRIBO-seq, se convierta en una herramienta habitual para identificar los fármacos candidatos más prometedores. El equipo lo ha desarrollado en colaboración con la empresa italiana IMMAGINA Biotechnology.

El método consiste en pescar los ribosomas que están fabricando proteínas en una célula. A continuación, se leen los ARNt que contienen uno a uno, lo que permite saber cuáles se están utilizando, qué marcas químicas llevan y si alguno está dañado, todo ello en un único experimento.

Los métodos convencionales requieren cultivar células durante aproximadamente una semana y necesitan equipos especializados. El método del CRG requiere una sola placa de células y alrededor de un día y medio.
 

EN CATALÀ

Un nou mètode podria accelerar el desenvolupament de fàrmacs d'ARNt per a malalties genètiques

Les nostres cèl·lules converteixen instruccions genètiques en proteïnes amb gran precisió. Un paper clau en la traducció d'aquesta informació el juguen els ARN de transferència, o tRNAs, petites molècules que llegeixen el codi genètic de tres en tres lletres i duen els blocs constructors corresponents, els aminoàcids, a la maquinària de producció de proteïnes de la cèl·lula: el ribosoma.

Cada cèl·lula conté milions d'ARNt, però només uns pocs treballen al ribosoma. Fins ara, la comunitat científica ha estudiat els ARNt mesurant tots els que hi ha en una cèl·lula alhora, assumint que això dona una imatge fidel de qui realment fa la feina.

Un equip del Centre de Regulació Genòmica (CRG) de Barcelona descriu avui a Nature Methods una tècnica que se centra només en els ARNt presents als ribosomes que fabriquen proteïnes. La tècnica revela que els ARNt actius poden diferir del conjunt total de la cèl·lula, especialment quan les cèl·lules estan sota estrès, una diferència que les tècniques convencionals no detecten.

"En el nostre camp, s'ha assumit àmpliament que seqüenciar tots els tRNAs d'una cèl·lula dóna una bona imatge dels implicats en la producció de proteïnes. El nostre treball mostra que això no ha de ser necessàriament així, especialment en situacions d'estrès", diu la Dra. Mie Monti, primera autora de l'estudi.

Privant les cèl·lules de leucina, un dels blocs bàsics de les proteïnes, l'equip va observar que els ARNt s'acumulaven al ribosoma, quan s'hauria esperat que desapareguessin completament.

Els resultats suggereixen que alguns canvis dins de les cèl·lules podrien haver passat desapercebuts. Se sap, per exemple, que les cèl·lules tumorals utilitzen els ARNt de manera diferent de les cèl·lules sanes, però, segons la Dra. Monti, això només s'havia estudiat comptant tots els ARNt de la cèl·lula.

A més, les cèl·lules humanes tenen diverses versions de molts ARNt. La Dra. Monti posa les infeccions víriques com a exemple: el nou enfocament podria mostrar exactament de quina molècula d'ARNt depèn un virus. En principi, això podria assenyalar noves maneres de bloquejar una infecció.

La principal implicació de l'estudi és que podria accelerar el desenvolupament d'un nou tipus de fàrmac contra malalties genètiques.

Aproximadament un de cada deu errors genètics identificats com a causants de malalties hereditàries és una errada tipogràfica que indica a la cèl·lula que deixi de produir una proteïna abans d'hora. Alguns tRNAs dissenyats a mida poden continuar llegint més enllà d'aquest fals senyal de stop i restaurar tota la proteïna sense modificar l'ADN de la persona.

En estudis sobre la fibrosi quística i la distròfia muscular de Duchenne, diversos fàrmacs experimentals d'ARNt ja han aconseguit restaurar proteïnes absents en cèl·lules i ratolins, i un d'ells va rebre l'aprovació aquest any per al seu primer assaig clínic en persones. Com que la mateixa errada tipogràfica pot aparèixer en molts gens diferents, un únic fàrmac d'ARNt podria, en teoria, tractar moltes malalties no relacionades.

"Un sol fàrmac d'ARNt podria, en principi, utilitzar-se per tractar diverses malalties rares no relacionades. Això seria un canvi radical per a les persones amb malalties rares, ja que per altra banda són grups massa fragmentats per al desenvolupament convencional de fàrmacs", diu la professora d'investigació ICREA Eva Novoa, que va liderar l'estudi.

El mètode també podria ser útil per a aquells que dissenyen aquest tipus de fàrmacs. "Una cosa és dissenyar un ARNt que funcioni en un tub d'assaig. Una altra és saber que arribarà al ribosoma en quantitat suficient perquè la cèl·lula l'utilitzi", explica la Dra. Monti.

Els autors de l'estudi esperen que el seu nou mètode, anomenat tRIBO-seq, esdevingui una eina habitual per identificar els candidats a fàrmacs més prometedors. L'equip l'ha desenvolupat en col·laboració amb l'empresa italiana IMMAGINA Biotechnology.

El mètode consisteix a pescar els ribosomes que fabriquen proteïnes en una cèl·lula. Els tRNAs que contenen es llegeixen un per un, cosa que permet saber quins s'estan utilitzant, quines marques químiques porten i si n'hi ha algun danyat, tot en un sol experiment.

Els mètodes convencionals requereixen cultivar cèl·lules durant aproximadament una setmana i necessiten equips especialitzats. El mètode del CRG requereix una sola placa de cèl·lules i aproximadament un dia i mig.