信使RNA前体（pre-mRNA）的发夹环（hairpin loop）。绿色部分是核酸碱基，蓝色部分是核糖-磷酸骨架。注意这是由一条单链RNA自己折叠形成的。（图片来源：Vossman/维基百科）
美国麻省理工学院（Massachu-setts Institute of Technology，MIT）和哈佛大学（Harvard University）的研究者们设计了一种新方法，在细菌乃至人体细胞中都能够对特定细胞启动基因治疗。该技术可检测细胞中的特定信使RNA（Messenger RNA，mRNA）序列，而后触发转基因或人工基因表达特定的蛋白质。
由于转基因（transgenes）在错误的细胞中表达可能造成负面甚至危险的影响，因此研究者想找到能降低基因治疗的脱靶效应（off-target effects）的方法。区分不同细胞类型的方法之一便是读取细胞中的RNA序列，这些序列在不同的组织中都有所差异。
研究者们找到了一种方法，仅在读取到细胞中的特定RNA序列后才激活转基因。据此，他们开发出一项精准调控基因治疗的技术，可以应用在从再生医学到癌症治疗等各个领域，适用范围非常广泛。例如，研究者可以创造消灭肿瘤的新方法，设计能够识别癌症细胞的系统，进而在胞内表达毒性蛋白，以杀死肿瘤细胞。
“这为RNA疗法的新兴领域带来了新的‘控制电路’（即调控机制），开辟了下一代RNA疗法，可以只在特定细胞或组织内启动。”James Collins说，他是MIT医学工程与科学研究所（MIT’s Institute for Medical Engineering and Science，IMES）和生物工程系（Department of Biological Engineering）的医学工程与科学教授，同时也是该研究的通讯作者。
研究者称，这种方法基于一种病毒用来控制宿主细胞基因转录的遗传元件，能做到高度靶向，可以避免一些全身性疗法的副作用。
Evan Zhao是哈佛大学威斯生物工程研究所（Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering ）的研究员，Angelo Mao是麻省理工学院的博士后和威斯研究所技术研究员。这两位是该研究的主要作者，该文章已于2021年10月28日发表于《自然·生物技术》（Nature Biotechnology）期刊上。
真核细胞中mRNA的“生命周期”。RNA在细胞核中转录、加工后，被运送到细胞质并由核糖体翻译。最后，mRNA被降解。
（图片来源：维基百科）
RNA检测
mRNA是编码特定蛋白质的RNA序列。几年前，Collins及其同事研发了一种采用RNA检测技术来触发细菌合成特定蛋白质的方法。这种系统引入了名为“toehold”的RNA分子，它会与编码特定蛋白质的mRNA分子的核糖体结合位点（ribosome-binding site）结合。（核糖体是基于mRNA信息合成蛋白质的场所。）这导致mRNA无法与核糖体结合，也就阻止了将mRNA翻译为蛋白质的过程。
这种RNA toehold的另一段序列可以与各种作为触发器的目标mRNA结合。如果检测到了目标mRNA，toehold就会松开它的“夹子”，翻译受阻的mRNA则得以（与核糖体结合）合成蛋白。toehold可以阻止任何基因转录本的翻译，而如果翻译受阻的mRNA恰好会表达荧光报告分子的话，研究者就能够观察到触发器mRNA的存在。
在新研究中，研究者着手于创造能够在包括人体细胞在内的真核细胞（eukaryotic cells，非细菌的细胞）中使用的类似系统。
由于真核细胞中的基因表达更加复杂，无法将细菌中使用的遗传元件引入到人体细胞内。作为替代，研究者使用了病毒攻击真核细胞的系统。通过该系统，病毒得以在真核细胞内表达自身的基因，进行自我复制。系统包含名为内部核糖体进入位点（internal ribosome entry sites, IRES）的RNA分子结构，该结构也可以结合核糖体并启动RNA翻译为蛋白的过程。
成熟的真核生物的mRNA结构。一个完整加工的mRNA包括一个5’帽，5’ UTR，编码区，3’ UTR和poly(A)尾巴。
（图片来源：维基百科）
“病毒需要找到表达自身蛋白的方法，因此他们演化出了上述的复杂的RNA折叠结构来‘劫持’核糖体。”Zhao说。
研究者改造了不同种类的病毒自然形成的IRES，使之含有能与mRNA“扳机”结合的序列。经过改造的IRES插入到人体细胞中输出转基因的前面，它会阻碍该转基因的翻译。在检测到细胞内的mRNA“扳机”后，它会使IRES恢复，并允许后面的转基因翻译为蛋白质。
靶向治疗法
研究者使用这项技术开发了在人体细胞和酵母菌细胞中均能检测多种不同“扳机”的toehold。首先，他们发现，他们可以检测到寨卡病毒和SARS-CoV-2病毒关键基因的mRNA编码。这项技术的一种潜在应用是改造T细胞使之在感染期间检测病毒的mRNA并对其做出反应。
然后，他们设计了可以检测编码人体细胞正常蛋白的mRNA的toehold分子，这有助于显示细胞状态，例如应激（stress）。举个例子，他们可以检测热休克蛋白（heat shock proteins）的表达，当细胞处于高温时会合成这种蛋白。
最后，研究者表明，通过设计toehold识别编码酪氨酸酶（tyrosinase）的mRNA，（该系统）可以做到识别癌症细胞——例如在黑色素瘤（melanoma）细胞中，酪氨酸酶会产生过量的黑色素。这样就有可能设计一种疗法，当细胞中出现癌性蛋白时便立即触发能启动细胞凋亡的蛋白表达使之死亡。
“亮点就在于你可以靶向任何独特的RNA识别标记并提供治疗。”Mao说，“这可能是限制目标细胞或组织中生物分子表达/合成的一种方法。”
本文中所做的所有研究都是在实验室培养皿中培养的细胞中进行的。目前，研究人员正在研究传递策略，以使系统中的RNA成分能够到达动物模型中的靶细胞。
作者：Sarah McDonnell
翻译：安君
审校：赵冰莹
引进来源：麻省理工学院
京公网安备11010502039775号
