多尾修飾顯著增強mRNA翻譯活性和壽命

mRNA，一種指導(dǎo)人體產(chǎn)生蛋白質(zhì)的基因序列，因為在幾種COVID-19疫苗中發(fā)揮了重要作用而迅速成為公眾關(guān)注的焦點，也成為一種新的藥物開發(fā)重點。然而，要使mRNA具有廣泛的治療用途，這些分子需要比構(gòu)成COVID疫苗的分子在體內(nèi)持續(xù)更長時間。來自麻省理工學(xué)院布羅德研究所、哈佛大學(xué)和麻省理工學(xué)院的研究人員通過在分子中添加多個“尾巴”來設(shè)計一種新的mRNA結(jié)構(gòu)，這種多尾結(jié)構(gòu)使得細(xì)胞中的mRNA活性水平提高了5到20倍。研究還表明，與未經(jīng)修飾的mRNA相比，他們的多尾mRNA在動物體內(nèi)的持續(xù)時間長2到3倍，并且當(dāng)將其納入CRISPR基因編輯系統(tǒng)時，在小鼠體內(nèi)的基因編輯效率更高。發(fā)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(zhì)。

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(nèi)，它就會產(chǎn)生與COVID病毒部分相似的蛋白質(zhì)。麻省理工學(xué)院化學(xué)系的研究生Hongyu Chen說:“免疫系統(tǒng)非常強大，因此它能夠產(chǎn)生許多抗體來響應(yīng)外來蛋白質(zhì)的短暫表達(dá)。”但是，要使mRNA產(chǎn)生足夠的蛋白質(zhì)來治療擾亂基本蛋白質(zhì)正常產(chǎn)生的疾病，需要更大的劑量，這可能會導(dǎo)致毒副作用。

Broad研究所核心成員、麻省理工學(xué)院化學(xué)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(xì)胞中處理的過程。Wang, Chen和他們的團(tuán)隊想要承擔(dān)復(fù)雜的挑戰(zhàn)，設(shè)計一種穩(wěn)定、活躍的mRNA結(jié)構(gòu)，并在低劑量下產(chǎn)生持續(xù)的治療效果?；谙惹暗难芯浚?/span>Wang和Chen知道mRNA結(jié)構(gòu)中的poly(A) tail在保護(hù)mRNA免受細(xì)胞內(nèi)降解方面起著重要作用。在2022年，他們展示了化學(xué)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(lián)物”或mocRNAs。在這項工作的基礎(chǔ)上，Wang和Chen設(shè)想如果設(shè)計一個更復(fù)雜的、包含多個修飾的poly(A)尾巴，將進(jìn)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(xì)胞中進(jìn)行了測試，發(fā)現(xiàn)它們比天然mRNA和mocRNA持續(xù)翻譯的時間要長得多，單次劑量產(chǎn)生的蛋白質(zhì)多20倍。在小鼠實驗中，研究人員發(fā)現(xiàn)，只需單劑多尾mRNA就能產(chǎn)生長達(dá)14天的蛋白質(zhì)，這幾乎是以前mRNA技術(shù)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(tǒng)的一部分，并在小鼠身上進(jìn)行了測試，用于編輯與高膽固醇、Pcsk9和Angptl3相關(guān)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(dǎo)更高水平的基因編輯，導(dǎo)致血液中膽固醇循環(huán)減少。

Wang和Chen現(xiàn)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(jìn)一步研究mRNA修飾如何影響其治療穩(wěn)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(xué)院化學(xué)助理教授Xiao Wang說：“mRNA在COVID疫苗中的應(yīng)用非常棒，這促使我們探索如何擴大mRNA的可能治療應(yīng)用。我們已經(jīng)證明，非自然結(jié)構(gòu)比自然結(jié)構(gòu)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(xué)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上修飾mRNA分子。”

論文的**作者、麻省理工學(xué)院化學(xué)系的研究生Hongyu Chen說：“我最興奮的是，這種新形狀的mRNA能被細(xì)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(fā)現(xiàn)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(wěn)定性是由它的主鏈的化學(xué)性質(zhì)決定的。”“這一特性使化學(xué)家能夠廣泛地設(shè)計mRNA結(jié)構(gòu)，而不必?fù)?dān)心改變其攜帶的信息。”“我們想看看我們還能在哪里設(shè)計mRNA的結(jié)構(gòu)來提高效率，”Chen補充說，他們也對提高細(xì)胞掃描和翻譯mRNA指令的速度感興趣。

文章摘要：分支化學(xué)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(wěn)定性和低翻譯能力的限制。為了增加mRNA蛋白表達(dá)的持續(xù)時間和水平，我們設(shè)計并合成了具有多個合成聚(A)尾部的拓?fù)浜突瘜W(xué)修飾的mRNA。本研究表明，優(yōu)化后的多尾mRNA在細(xì)胞轉(zhuǎn)染后24 - 72小時的發(fā)光信號是對照mRNA的4.7 - 19.5倍，在體內(nèi)轉(zhuǎn)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(jìn)一步在小鼠肝臟中以最小mRNA劑量實現(xiàn)了臨床相關(guān)基因Pcsk9和Angptl3的高效多路基因組編輯。綜上所述，這些結(jié)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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