Nature:解决基因疗法脱靶效应新利器

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Nature:解决基因疗法脱靶效应新利器

细胞生命活动的重要生物分子–蛋白质合成,也叫蛋白质翻译,是根据遗传密码的中心法则,将成熟的信使RNA分子(mRNA,由DNA通过转录而生成)中“碱基的排列顺序”(核苷酸序列)解码,并生成对应的特定氨基酸序列的过程。

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在真核细胞中控制内源性或外源性RNA翻译的能力将促进各种生物技术应用。新冠肺炎疫情期间,比起传统灭活疫苗研发工艺,mRNA疫苗作为新型疫苗研发方法非常火热而备受瞩目。

对特定的细胞内RNA进行传感和响应的合成生物学技术是治疗和诊断应用的理想选择,它们提供了一种方法来区分和靶向特定的细胞、组织和有机体,使其可以作为复杂遗传的基本模块。因为转基因在错误的细胞中表达会带来危害,因此科学家们一直希望找到一种方法来减少基因疗法的脱靶效应(非特异性)。而区分不同类型细胞的一种方法是,读取它们内部的RNA序列。但是目前的策略受到基因产出量低的和触发RNA (trRNA)大小的限制。

近日美国麻省理工学院和哈佛大学研究人员开发了一种新方法eToeholds,可很好地解决目前存在的问题,相关工作以题为“RNA-responsive elements for eukaryotic translational control”发表在《自然·生物技术》。

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eToeholds技术的原理是什么

生物支点开关(etoehold)可以结合经过修饰的内部核糖体进入位点(Internal ribosome entry sites)IRESs,这些IRESs被设计为非活性,直到与特定 trRNAs的反义相互作用引起激活。也就是说,eToeholds类似是内置于RNA中的小型设备,当存在细胞特异性或病毒RNA时,与之连接的蛋白质编码序列才能表达。eToeholds设备有助于针对性的RNA疗法、体外细胞和组织工程方法以及感知人类和其他高等生物的各种生物威胁。

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他们的技术可检测细胞中特定的信使RNA(mRNA)序列,并触发从转基因或人工基因中产生特定蛋白质。etoehold包含内部核糖体进入位点序列,并在缺乏特定trRNA时形成抑制环。当trRNA存在时,etoehold保持对它的退火,破坏抑制环路并允许翻译。通过优化RNA退火,研究者在哺乳动物细胞中实现了多达16倍的转基因表达诱导。证明etoehold可以根据外源或内源性RNA转录本的存在来区分病毒感染状态、基因表达的存在或不存在以及细胞类型。

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eToeholds技术有什么用途

研究者已经证明etoehold在哺乳动物细胞中检测外源性转录本的能力,他们推测etoehold可以作为病毒感染的活细胞生物传感器。他们可从寨卡病毒和新冠病毒中检测到编码病毒基因的mRNA。

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研究者还探索了eToehold系统在感知内源性转录本方面的潜力,这将使其能够用于识别和靶向特定的细胞状态和细胞类型。例如,当细胞暴露在高温下时会产生热休克蛋白,研究者们使用eToehold系统可检测热休克蛋白的表达。

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接下来,为了评估etoehold区分不同细胞类型的能力,研究者设计了etoehold来感知小鼠酪氨酸酶(Tyr) mRNA(黑色素形成细胞中表达丰富)。通过eToeholds检测酪氨酸酶mRNA的可以准确识别癌细胞,这种方法可使研究人员通过设计系统来识别癌细胞并在癌细胞内产生有毒蛋白质杀死它们,从而可能创造出新疗法来摧毁肿瘤。

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这些用途表明etoehold可以基于细胞内内源性转录本水平调节转基因表达,从而显示其靶向治疗特定细胞类型的潜力。过多的脱靶毒性阻碍了许多核酸靶向疗法的临床应用,Etoehold主导翻译蛋白质或基于蛋白质前体以响应mRNA信号的能力,将有助于通过限制所需治疗的特异性靶细胞激活来解决脱靶效应。

参考文献:

  • Nat Biotechnol. 2021 Oct 28. RNA-responsive elements for eukaryotic translational control
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