一种新的控制开关可以使RNA疗法更容易编程

时间:2023年3月20日
来源:AAAS

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利用RNA传感器,麻省理工学院的工程师们设计了一种新方法来触发细胞打开合成基因。他们的方法可以确保合成基因只在特定细胞中被激活,从而为癌症和其他疾病创造靶向疗法。

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麻省理工学院(MIT)的工程师们利用RNA传感器设计了一种新方法,可以触发细胞打开合成基因。他们的方法可以确保合成基因只在特定细胞中被激活,从而为癌症和其他疾病创造靶向疗法。

研究人员证明,他们的传感器可以准确地识别表达p53基因突变版本的细胞,这种基因驱动癌症的发展,并只在这些细胞中打开编码荧光蛋白的基因。在未来的工作中,他们计划开发一种传感器,在不伤害健康细胞的同时,在癌细胞中激发细胞杀伤蛋白的产生。

麻省理工学院医学工程与科学研究所(IMES)和生物工程系特梅尔医学工程与科学教授James Collins说:“人们对减少治疗的脱靶效应越来越感兴趣。”“有了这个系统,我们可以针对非常特定的疾病细胞和组织,这为识别癌细胞并提供高效治疗开辟了可能。”

研究人员说,这种方法也可以用于开发其他疾病的治疗方法,包括病毒或细菌感染。

Collins是这项新研究的资深作者,该研究发表在《自然通讯》上。该论文的主要作者是麻省理工学院博士后Raphal Gayet博士等人。

RNA控制开关

许多涉及DNA或RNA递送的实验疗法——如基因疗法、基于crispr的疗法和RNA干扰——目前正在开发中。这种疗法的一个重要方面是,使用可编程控制开关,确保它们只在目标细胞中启动。

2021年,Collins的实验室开发了一种名为eToehold的RNA疗法控制开关。该系统基于被称为内部核糖体入口位点(IRES)的RNA分子,它可以被设计成对细胞内特定的信使RNA (mRNA)序列做出反应。然而,这些系统很难设计,因为它们的功能不仅取决于IRES分子的序列,还取决于它的三维结构。

在这项新研究中,研究人员想要创建一个更容易编程的系统。他们决定使用一种合成的RNA链,也称为RNA结构,作为靶向分子,而不是IRESes。这将允许他们通过简单地改变结构的RNA序列,对结构进行重新编程,以针对不同的mRNA分子。

Collins说:“有了这个新系统,我们就有了一种非常直接的、可编程的方法来创建控制元素,这些控制元素只会在那些目标序列出现时做出反应。”

为了实现这一目标,研究人员利用了一种天然存在于大多数动物细胞中的酶,称为作用于RNA的腺苷脱氨酶(ADAR)。这种酶对RNA分子进行碱基编辑,将不匹配的腺苷碱基转化为肌苷。在其他功能中,这有助于细胞抵御入侵的病毒。

ADAR可以检测和修复双链RNA中的不匹配,因此研究人员设计了他们的传感器RNA结构,使其包含与目标mRNA互补的序列,但有一个不匹配。这引起了细胞中自然存在的ADAR的注意,它修复了这种不匹配。

当ADAR在RNA传感器中将腺苷转化为肌苷时,该编辑会删除序列中的终止密码子。在这个停止密码子被移除后,细胞开始读取RNA结构,研究人员将其设计为包含两个蛋白质编码基因。第一个是报告分子,在这种情况下,是一种荧光蛋白,让研究人员看到合成基因被激活。在未来的版本中,这可能会被一种编码治疗药物的基因所取代。

另一个合成基因编码ADAR酶的简化版本。当产生更多的ADAR时,这种酶会发现并激活更多的合成RNA结构副本。这创造了一个正反馈循环,增强荧光报告基因的表达。

其他研究人员已经证明ADAR可以用于这种RNA靶向,但大多数研究都局限于自然产生大量这种酶的细胞,如神经元。

Collins说“我们只需要非常少量的ADAR来初始触发网络。然后通过正反馈设计,这个小触发器让细胞表达高水平的紧凑形式的酶,这种酶被构建在结构中,这拓宽了该系统的潜在应用用途,因为现在它不再局限于具有大量ADAR背景水平的细胞。”

精度高

在人类细胞的测试中,研究人员探索了这种他们命名为DART VADAR(通过ADAR检测和放大RNA触发物)的传感器是否能够区分非常相似的mRNA序列。为了做到这一点,他们将传感器植入具有正常版本p53基因或突变版本的人类细胞中,后者仅存在一个碱基对的差异,已知会推动癌症的发展。

“我们的研究表明,这些传感器可以获得非常高的分辨率和精度。”“通过精心设计的传感器,你可以得到不同程度的激活,这取决于细胞是否产生一些包含突变的RNA。”

在另一组小鼠细胞实验中,研究人员表明,传感器结构可以区分分化为骨骼细胞或肌肉细胞的密切相关的细胞类型。

由于研究人员使用的是精简版的ADAR酶,它只有大约1600个碱基对,整个结构可以很容易地放入AAV载体中,AAV载体是一种经过改造的无害病毒,经常在临床中用于向人类传递遗传物质。

研究人员现在计划在动物癌症模型中测试他们的系统,看看他们是否能提供合成结构,通过只在肿瘤细胞内产生致命化合物来选择性地杀死肿瘤细胞。

文章标题

Autocatalytic base editing for RNA-responsive translational control


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