多尾修飾顯著增強mRNA翻譯活性和壽命

mRNA，一種指導人體產生蛋白質的基因序列，因為在幾種COVID-19疫苗中發揮了重要作用而迅速成為公眾關注的焦點，也成為一種新的藥物開發重點。然而，要使mRNA具有廣泛的治療用途，這些分子需要比構成COVID疫苗的分子在體內持續更長時間。來自麻省理工學院布羅德研究所、哈佛大學和麻省理工學院的研究人員通過在分子中添加多個“尾巴”來設計一種新的mRNA結構，這種多尾結構使得細胞中的mRNA活性水平提高了5到20倍。研究還表明，與未經修飾的mRNA相比，他們的多尾mRNA在動物體內的持續時間長2到3倍，并且當將其納入CRISPR基因編輯系統時，在小鼠體內的基因編輯效率更高。發表在《Nature Biotechnology》雜志上的新型mRNA有望用于治療那些需要長期治療的疾病——比如需要編輯基因或替換有缺陷的蛋白質。

COVID疫苗中的mRNA非常有效，因為只需要的很少——一旦注射到體內，它就會產生與COVID病毒部分相似的蛋白質。麻省理工學院化學系的研究生Hongyu Chen說:“免疫系統非常強大，因此它能夠產生許多抗體來響應外來蛋白質的短暫表達。”但是，要使mRNA產生足夠的蛋白質來治療擾亂基本蛋白質正常產生的疾病，需要更大的劑量，這可能會導致毒副作用。

Broad研究所核心成員、麻省理工學院化學助理教授Xiao Wang的實驗室專門研究RNA從合成到最終降解和在細胞中處理的過程。Wang, Chen和他們的團隊想要承擔復雜的挑戰，設計一種穩定、活躍的mRNA結構，并在低劑量下產生持續的治療效果。基于先前的研究，Wang和Chen知道mRNA結構中的poly(A) tail在保護mRNA免受細胞內降解方面起著重要作用。在2022年，他們展示了化學修飾poly(A)尾巴可以減緩mRNA的自然降解，使其在更廣泛的治療中更有用。他們將這些修飾過的分子命名為“mRNA-oligo偶聯物”或mocRNAs。在這項工作的基礎上，Wang和Chen設想如果設計一個更復雜的、包含多個修飾的poly(A)尾巴，將進一步增強mRNA的治療效果。在他們最新的研究中，研究小組制備了多尾mRNA（multi-tailed），并在人體細胞中進行了測試，發現它們比天然mRNA和mocRNA持續翻譯的時間要長得多，單次劑量產生的蛋白質多20倍。在小鼠實驗中，研究人員發現，只需單劑多尾mRNA就能產生長達14天的蛋白質，這幾乎是以前mRNA技術所證明的壽命的兩倍。他們還使用多尾mRNA編碼DNA切割Cas9蛋白，作為CRISPR-Cas9基因編輯系統的一部分，并在小鼠身上進行了測試，用于編輯與高膽固醇、Pcsk9和Angptl3相關的基因。與用對照Cas9 mRNA治療的動物相比，單劑量的多尾Cas9 mRNA可以誘導更高水平的基因編輯，導致血液中膽固醇循環減少。

Wang和Chen現在專注于使他們的多尾mRNA合成和純化過程更具可擴展性。他們還在進一步研究mRNA修飾如何影響其治療穩定性和活性之間的相互作用。

論文資深作者、Broad研究所核心成員、麻省理工學院化學助理教授Xiao Wang說：“mRNA在COVID疫苗中的應用非常棒，這促使我們探索如何擴大mRNA的可能治療應用。我們已經證明，非自然結構比自然結構的功能要好得多。這項研究給了我們很大的信心，我們有能力在化學和拓撲結構上修飾mRNA分子。”

論文的**作者、麻省理工學院化學系的研究生Hongyu Chen說：“我最興奮的是，這種新形狀的mRNA能被細胞翻譯機制很好地耐受，”“這為合成修飾mRNA以擴展其治療用途開辟了許多新的機會。”“我發現mRNA非常吸引人，因為作為一種信息分子，它的功能是由它的序列編碼的，而它的穩定性是由它的主鏈的化學性質決定的。”“這一特性使化學家能夠廣泛地設計mRNA結構，而不必擔心改變其攜帶的信息。”“我們想看看我們還能在哪里設計mRNA的結構來提高效率，”Chen補充說，他們也對提高細胞掃描和翻譯mRNA指令的速度感興趣。

文章摘要：分支化學修飾的聚(A)尾增強了mRNA的翻譯能力
雖然信使RNA (mRNA)已被證明是有效的疫苗，但其作為一般治療方式的潛力受到其不穩定性和低翻譯能力的限制。為了增加mRNA蛋白表達的持續時間和水平，我們設計并合成了具有多個合成聚(A)尾部的拓撲和化學修飾的mRNA。本研究表明，優化后的多尾mRNA在細胞轉染后24 - 72小時的發光信號是對照mRNA的4.7 - 19.5倍，在體內轉染后14天仍可檢測信號，相比對照mRNA僅 <7天的可檢測信號。我們進一步在小鼠肝臟中以最小mRNA劑量實現了臨床相關基因Pcsk9和Angptl3的高效多路基因組編輯。綜上所述，這些結果提供了一種可推廣的方法來合成具有顯著增強翻譯能力的帶帽分支mRNA。

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