mRNA技术风头正劲,tRNA疗法又来了,这一黑科技将在医药领域掀起怎样的旋风?

mRNA技术风头正劲,tRNA疗法又来了,这一黑科技将在医药领域掀起怎样的旋风?

导读

mRNA技术风头正劲,tRNA疗法又来了,这一黑科技将在医药领域掀起怎样的旋风?
国内刚刮起mRNA技术的浪潮,不少公司挤入这个赛道。然而,另一种黑科技——基于tRNA疗法也在路上了。

今年7月,Shape Therapeutics公司宣布完成1.12 亿美元 B 轮融资,所获资金将用于推进RNA技术的开发。其公司核心技术之一——RNAskip,主角是反密码子工程性的抑制性转运RNA(anticodon-engineered suppressor tRNAs ,ACE-tRNAs)。


半个多月前,Flagship Pioneering公司宣布推出Alltrna,初始资金为5000万美元,专注于tRNA药物的开发,再次把大众的视线吸引了过来。

在未来的遗传疾病治疗中,tRNA疗法也将会大放异彩。


撰文 | 梅宝
01
 tRNA在蛋白质合成中的作用


早在六十多年前,著名生物学家弗朗西斯·克里克提出中心法则时,tRNA作为翻译过程中携带氨基酸的运载体,已被大家所熟知,但大家认为在谱写生命的鸿篇巨制中,它扮演的是只是一个普通的小角色。

中心法则中的明星分子是信使RNA(mRNA),其每三个相邻碱基,称为一个密码子,决定了一种氨基酸。其密码子决定氨基酸序列的对应关系,如下表。

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生命科学中的中心法则


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密码子表

其中UAA、UAG、UGA是终止密码子,是翻译终止的信号,并不对应氨基酸。tRNA是连接了mRNA蕴含的碱基序列信息和蛋白质蕴含的氨基酸序列信息相对应的“媒人”。它能做到如此,是由于它的结构,如下图。

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 tRNA结构及成为氨酰tRNA的过程
 
tRNA的二级结构是倒三叶草的构型,一端有能连接氨基酸的3’-OH结构,另外一端具有反密码子,能与mRNA上的密码子碱基互补配对。
 
在同源的氨酰-tRNA合成酶(aminoacyl-tRNA synthetases ,aaRSs)的作用下,tRNA的3’端能连接到同源的氨基酸,形成特定的氨酰tRNA,这个过程具有高保真性,之后氨酰tRNA再参与到翻译过程中。
02
 无义突变导致疾病,为tRNA疗法提供了可能


根据统计,近10%的人类遗传病是由于基因发生无义突变造成的,即原本编码正常氨基酸的碱基序列,突变成了编码终止信号的碱基序列,其结果是在mRNA中产生了提前终止密码子(premature termination codon,PTC)。

这些异常的mRNA通过翻译会产生截短的蛋白质,这样的蛋白质没有活性或者对人体有害,进而产生疾病症状。比如囊性纤维化,致病原因主要是编码囊性纤维跨膜电导调节蛋白的基因发生了无义突变。
 
科研人员治疗此类疾病的想法是无义抑制(nonsense suppression),即在原本无义突变的地方,让它继续翻译下去,产生正常长度和功能的蛋白质。
 
为了达到这一设想,早期使用氨基糖苷类抗生素居多,比如庆大霉素可以结合核糖体,降低其翻译的保真性,使得在PTC的位置上,被附近同源的氨酰tRNA所结合,进而携带正常的氨基酸,翻译继续进行下去,使得PTC通读。这样类似的PTC抑制剂,在囊性纤维化等无义突变导致的遗传疾病中,作为一种治疗手段。
 
但是在长期的临床使用情况来看,核糖体翻译的保真性的降低,导致氨酰tRNA错误结合的情况变多了,可能插入了一个异常的氨基酸,这些异常的氨基酸会对蛋白质的空间构象造成影响,而且它还会影响正常终止密码子(natural termination codon,NTC)的终止过程,使得在原本应该终止时,继续翻译,产生一些长度过长的异常蛋白质。
 
为了避开氨基糖苷类抗生素,研究人员在小分子化合物中筛选出能让PTC通读下去的药物,比如阿塔鲁伦(Ataluren),由PTC Therapeutics公司研发生产,2014年8月获得欧盟的有条件上市批准,应用于无义突变所致的杜氏肌营养不良。
 
2021年1月,囊性纤维化基金会捐赠了200万美元,用于Eloxx Pharmaceuticals 公司开发小分子药物ELX-02的二期临床试验,这个药物也属于PTC通读药物。.
 
那么,我们今天讲述的tRNA疗法如何在上述的遗传疾病中发挥作用?

早在1982年就有人提出tRNA疗法,因此这不是新概念,不过当时是把天然的抑制性tRNA(Sup-tRNA)注射到爪蟾卵母细胞中。抑制性tRNA是我们生物体内本身就存在的一类tRNA分子,它的反密码子序列发生改变,使之能结合终止密码子,并携带特定氨基酸,可以矫正无义突变。
 
后来研究人员慢慢地把实验对象扩展到了小鼠、哺乳动物细胞系等,并且得到确切的分子层面结果,可以使得截短的蛋白质翻译成正常长度的蛋白质。
 
当然,从理论上讲,得到分子层面的这个结果并不让人意外,只是一种对原初设想的肯定。在临床上,tRNA疗法是否安全有效,才是人们更为关注的地方。这些年不仅是在研究对象上进行扩展,为了让tRNA疗法更安全有效,在ACE-tRNAs研究开发、非天然氨基酸的遗传密码扩展等技术创新方面,都进行了大量的探索。
 
在这个过程中,由于基因编辑技术的发展,可以较容易的创造无义突变的动物模型,便于筛选验证无义抑制药物,也大大加速了研究进程。
03
抑制性tRNA在治疗中的应用


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抑制性tRNA如何在疾病治疗中崭露头角

从上图中我们可以看到,图C展现的是含有PTC的mRNA在没有Sup-tRNA或非天然氨基酸合成体系的干预下的正常命运。这样的mRNA会翻译出截短的蛋白质,之后mRNA本身会被无义介导的降解系统(nonsense-mediated decay,NMD)所识别并降解。
 
图B展现的是人工合成的氨基酸在外源性的氨酰tRNA合成酶作用下,结合在体内的抑制性tRNA结合形成氨酰tRNA。在PTC的位置上,加入了非天然氨基酸,最终形成正常长度的蛋白质。2021年8月,北京大学夏青教授研究团队在Nature Biomedical Engineering在线发表了文章,该研究利用基因密码子扩展技术恢复内源性肌营养不良蛋白的全长表达。
 
图D展现的是对抑制性tRNA进行工程性编辑,使之能与内源性氨酰tRNA合成酶结合,让对应氨基酸结合上去,形成氨酰tRNA,在PTC的位置上,引入正常蛋白质对应的氨基酸,形成序列及全长都准确的正常蛋白质。这一部分也是国外生物医药公司主攻的方向。
04
 隐忧与展望


看起来,tRNA疗法通过借助抑制性tRNA可以使得体内的截断蛋白质转变为全长蛋白质,对于治疗遗传病而言,未来充满了希望。
 
但太过简单耀眼的事情,更容易引起人们的警惕。比如抑制性tRNA是否会结合在NTC上,使得其它基因的表达不能正常进行?这些外源的人工设计的tRNA如何递送到特定的靶细胞?就算进入到特定靶细胞内,它能否利用细胞内正常的氨酰tRNA合成酶,连接到对应氨基酸?
 
这一切都需要在临床试验中进一步验证,而目前的tRNA疗法,像一个孱弱的新生儿,未来充满了挑战和未知。
 

参考资料 

1. Restore CFTR: Exploring Treatments for Rare and Nonsense Mutations

2. Therapeutic promise of engineered nonsense suppressor tRNAs

3. Engineered transfer RNAs for suppression of premature termination codons


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