Nat Biotech | RNA反應元件控制真核轉(zhuǎn)錄:合成生物學+細胞工程
原創(chuàng)?圖靈基因?圖靈基因?今天
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由Wyss生物靈感工程研究所和麻省理工學院（MIT）的研究人員領(lǐng)導的一個合成生物學家和細胞工程師團隊設(shè)計了一種技術(shù)誊册，使在包括人體細胞在內(nèi)的靶細胞中選擇性地啟動基因治療成為可能拒秘。這些方法利用了被稱為eToeholds的小型多功能裝置，這種裝置內(nèi)置于RNA中垛耳，只有在存在細胞特異性或特定病毒RNA時瓶珊，才能夠表達連接的蛋白質(zhì)編碼序列啸箫。
這種高度針對性的方法基于病毒用來控制宿主細胞基因翻譯的基因元件，可能有助于避免某些影響整個身體的治療的副作用艰毒。研究人員認為筐高，eToehold平臺可以為開發(fā)更具針對性的RNA療法、設(shè)計體外細胞和組織工程方法以及為感知人類和其他高等生物的各種生物威脅提供多種機會丑瞧。例如柑土，在癌癥治療中，可以利用eToehold方法設(shè)計一個識別癌細胞的系統(tǒng)绊汹，然后產(chǎn)生有毒蛋白質(zhì)稽屏，但只能在癌細胞內(nèi)部產(chǎn)生。
“這為新興的RNA療法領(lǐng)域帶來了新的控制電路西乖，開辟了下一代RNA療法狐榔，這些療法可以設(shè)計為僅以細胞特異性或組織特異性方式開啟坛增。”麻省理工學院醫(yī)學工程與科學研究所（IMES）和生物工程系的醫(yī)學工程與科學特聘教授James Collins博士說薄腻，“eToeholds不僅可以在人類收捣、植物和其他高等生物中實現(xiàn)更具體、更安全的RNA治療和診斷方法庵楷，還可以作為基礎(chǔ)研究和合成生物學的工具罢艾。”
Collins是該團隊研究的資深作者尽纽，該研究發(fā)表在《Nature Biotechnology》上咐蚯，標題為“RNA-responsive elements for eukaryotic translational control”。
在細胞中弄贿，RNA的基本功能是將基因編碼的信息翻譯成蛋白質(zhì)春锋。然而，RNA的結(jié)構(gòu)復雜性和相對穩(wěn)定性也讓科學家們考慮將這種生物材料作為新型療法差凹、合成生物標志物和疫苗的基礎(chǔ)期奔，第一批針對SARS-CoV-2的mRNA疫苗的開發(fā)就證明了這一點。
將合成的RNA分子輸送到細胞中直奋，本質(zhì)上是指導細胞產(chǎn)生所需的蛋白質(zhì)能庆，然后可以執(zhí)行治療、診斷和其他功能脚线。研究人員面臨的一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)是如何確保只有引起或受特定疾病影響的細胞才能表達這種蛋白質(zhì)搁胆。這種能力可以幫助減少不必要的副作用，這些副作用可能與未受影響的細胞和組織中蛋白質(zhì)的產(chǎn)生有關(guān)邮绿。
2014年渠旁，Collins的團隊與Wyss核心教員Peng Yin博士一起成功開發(fā)了細菌的立足點開關(guān)，該開關(guān)在關(guān)閉狀態(tài)下表達船逮，并通過細菌蛋白質(zhì)合成機制啟動所需蛋白質(zhì)的合成顾腊，對特定觸發(fā)RNA作出反應。該系統(tǒng)的工作原理是引入立足點RNA分子挖胃，該分子與編碼特定目標蛋白質(zhì)的mRNA分子的核糖體結(jié)合位點結(jié)合杂靶。（核糖體是根據(jù)mRNA指令組裝蛋白質(zhì)的地方。）這種結(jié)合會阻止mRNA轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)酱鸭，因為它不能附著到核糖體上吗垮。
RNA立足點還包含一個序列，該序列可以與作為觸發(fā)器的不同mRNA序列結(jié)合凹髓。如果檢測到該目標mRNA序列烁登，則腳趾會釋放其抓地力，并將被阻斷的mRNA轉(zhuǎn)化成蛋白質(zhì)蔚舀。這種mRNA可以編碼任何基因饵沧，如熒光報告分子锨络。這種熒光信號為研究人員提供了一種可視化的方法，以確定是否檢測到了目標mRNA序列狼牺。
然而羡儿，細菌的立足點設(shè)計不能用于更復雜的細胞，包括人類細胞锁右，因為它們的結(jié)構(gòu)和蛋白質(zhì)合成裝置更為復雜失受。在他們的新研究中讶泰，研究人員開始嘗試創(chuàng)建一個類似的系統(tǒng)咏瑟，可以用于真核細胞，包括人類細胞痪署。由于真核細胞中的基因翻譯更為復雜码泞，因此它們在細菌中使用的遺傳成分無法導入人體細胞。相反狼犯，研究人員利用病毒用來劫持真核細胞的系統(tǒng)來翻譯它們自己的病毒基因余寥。該系統(tǒng)由稱為內(nèi)部核糖體進入位點（IRES）的RNA分子組成，它可以招募核糖體并啟動RNA向蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)化悯森。
“這些是病毒為了劫持核糖體而開發(fā)的復雜RNA折疊宋舷，因為病毒需要找到某種方式來表達蛋白質(zhì)∑耙觯”共同第一作者Evan Zhao博士解釋說祝蝠，他是Collins團隊的博士后研究員，與合作第一作者和Wyss技術(shù)開發(fā)研究員Angelo Mao博士合作幻碱，結(jié)合各自在合成生物學和細胞工程領(lǐng)域的專業(yè)知識绎狭。
IRES是在病毒RNA中發(fā)現(xiàn)的有效序列，它允許宿主細胞的蛋白質(zhì)合成核糖體進入病毒基因組編碼病毒蛋白質(zhì)序列旁邊的一段褥傍。一旦與RNA結(jié)合儡嘶，核糖體開始掃描蛋白質(zhì)編碼序列，同時通過在其生長末端依次添加相應的氨基酸來合成蛋白質(zhì)恍风。
研究人員從不同類型的病毒中自然產(chǎn)生的IRES開始蹦狂，并對其進行改造，使其包含一個與觸發(fā)mRNA結(jié)合的序列朋贬。當工程化的IRES被插入到輸出轉(zhuǎn)基因之前的人類細胞中時凯楔，它會阻止該基因的翻譯，除非在細胞內(nèi)檢測到觸發(fā)mRNA兄世。觸發(fā)器導致IRES恢復并允許基因被轉(zhuǎn)化成蛋白質(zhì)啼辣。“我們開發(fā)了基于RNA的真核模塊御滩，稱為eToeholds鸥拧，它能夠通過特定trRNA的存在來調(diào)節(jié)順式報告基因的轉(zhuǎn)化党远。這些eToeholds包含經(jīng)過修飾的IRES，其設(shè)計為在與特異性trRNAs的正-反義相互作用引起激活之前處于非活性狀態(tài)富弦」涤椋”該團隊解釋道。
“在這項研究中腕柜，我們采用了IRES（內(nèi)部核糖體進入位點）元素济似，這是某些病毒中常見的一種控制元素，它利用真核蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化機制盏缤，并將它們從頭開始設(shè)計成多功能設(shè)備砰蠢，可以通過編程來感知人類、酵母和植物細胞中的細胞或病原體特異性觸發(fā)RNA唉铜√ú眨”研究人員說。
“我們通過引入相互結(jié)合的互補序列來形成抑制性堿基配對結(jié)構(gòu)潭流，阻止核糖體與IRES結(jié)合竞惋，從而向前推進工程IRES序列』壹担”研究人員補充道拆宛，“eToeholds中的發(fā)夾環(huán)編碼序列元件的設(shè)計使其與與已知觸發(fā)RNA互補的特定傳感器序列重疊。當觸發(fā)RNA存在并與eToeholds中的補體結(jié)合時讼撒，發(fā)夾環(huán)斷裂浑厚，核糖體可以開始工作并產(chǎn)生蛋白質(zhì)〈患纾”
在快速迭代的過程中瞻颂，科學家們能夠設(shè)計和優(yōu)化在人類和酵母細胞中起作用的eToeholds，以及無細胞蛋白質(zhì)合成分析郑象。他們使用該技術(shù)開發(fā)了可以檢測人類和酵母細胞內(nèi)各種不同觸發(fā)因素的立足點贡这。首先，他們表明他們可以檢測到編碼寨卡病毒和SARS-CoV-2病毒基因的mRNA厂榛。研究人員進一步指出盖矫，這項技術(shù)的一個可能應用是設(shè)計在感染期間檢測病毒mRNA并對其作出反應的T細胞』髂蹋“我們進一步表明辈双，表達eToeholds的穩(wěn)定細胞系可用于感知自然病毒感染（寨卡病毒）和病毒轉(zhuǎn)錄物（SARS-CoV-2結(jié)構(gòu)）。我們還證明了eToeholds通過基于內(nèi)源性RNA水平選擇性激活蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化來區(qū)分不同細胞狀態(tài)和細胞類型的能力柜砾∨韧”
他們還設(shè)計了能夠檢測人類細胞中自然產(chǎn)生的蛋白質(zhì)mRNA的立足點分子，這有助于揭示細胞狀態(tài)，如壓力证芭。例如瞳浦，他們表明他們可以檢測熱休克蛋白的表達，當細胞暴露在高溫下時會產(chǎn)生熱休克蛋白废士〗辛剩“我們發(fā)現(xiàn)eToeholds可以檢測各種細胞內(nèi)RNA，包括通過轉(zhuǎn)染或感染引入的RNA官硝，以及內(nèi)源性轉(zhuǎn)錄物矗蕊，如指示細胞狀態(tài)或細胞類型的那些∏饧埽”研究人員說傻咖，“如本文所示，當存在細胞類型特異性或細胞狀態(tài)特異性RNA轉(zhuǎn)錄物時达箍，啟動所需蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化的能力具有相當大的治療潛力没龙。”
研究人員還證明缎玫，他們可以通過設(shè)計檢測酪氨酸酶（一種在黑色素瘤細胞中產(chǎn)生過量黑色素的酶）mRNA的立足點來識別癌細胞，這種靶向性可以使研究人員開發(fā)出一種療法解滓，當在細胞中檢測到癌蛋白時赃磨，會觸發(fā)蛋白質(zhì)的產(chǎn)生，從而引發(fā)細胞死亡邻辉。
“這個想法是值骇，你將能夠靶向任何獨特的RNA特征并提供治療方法移国〖Ｗ海”研究人員說祝懂，“這可能是一種限制生物分子在靶細胞或組織中表達的方法砚蓬。我們設(shè)計了專門檢測寨卡病毒感染和人類細胞中SARS-CoV-2病毒RNA的eToehold，以及由細胞特異性RNA觸發(fā)的其他eToehold傅事，例如僅在皮膚黑素細胞中表達的RNA蹭越。重要的是响鹃，eToeholds和與它們相連的編碼所需蛋白質(zhì)的序列可以編碼為更穩(wěn)定的DNA分子买置，當引入細胞時忿项，這些分子會轉(zhuǎn)化為RNA分子城舞，并根據(jù)我們想要的蛋白質(zhì)表達類型進行定制家夺。這擴大了eToehold輸送到靶細胞的可能性拉馋』蛙睿”
研究人員認為蔓腐，eToehold平臺有助于將RNA療法和某些基因療法靶向特定的細胞類型合住，這一點很重要透葛，因為許多此類療法都受到過度脫靶毒性的阻礙僚害。“許多核酸靶向療法的臨床應用受到過度脫靶毒性的阻礙蹄胰≡Ｕ”他們指出宾袜，“eToehold模塊翻譯蛋白質(zhì)或基于蛋白質(zhì)的前體以響應mRNA信號的能力將有助于通過將所需療法的激活限制在特定靶細胞上來應對這一挑戰(zhàn)庆猫≡屡啵”
此外杉畜，該平臺還可以促進體外分化方法，引導干細胞沿著發(fā)育途徑生成用于細胞治療和其他應用的特定細胞類型。干細胞和中間細胞沿著許多分化細胞譜系的轉(zhuǎn)化通常不是很有效牙丽，而eToeholds可以幫助豐富所需的細胞類型烤芦。
