使用這種方法，研究人員希望將性 RNA 分子選擇性地遞送至癌細胞或其他靶細胞。

使用 RNA 傳感器，麻省理工學院的工程師設計了一種新方法來觸發(fā)細胞打開合成基因。通過確保合成基因僅在特定細胞中被激活，他們的方法可以使針對癌癥和其他疾病的靶向成為可能。

研究人員證明，他們的傳感器可以準確識別表達 p53 基因突變版本的細胞，該基因會促進癌癥的發(fā)展，并僅在這些細胞內(nèi)開啟編碼熒光蛋白的基因。在未來的工作中，他們計劃開發(fā)傳感器來觸發(fā)癌細胞中細胞殺傷蛋白的產(chǎn)生，同時保護健康細胞。

“人們越來越關注減少的脫靶效應，”麻省理工學院醫(yī)學工程與科學研究所 (IMES) 和生物工程系醫(yī)學工程與科學研究所 Termeer 教授 James Collins 說。“有了這個系統(tǒng)，我們可以針對非常具體的疾病細胞和組織，這開辟了識別癌細胞然后提供高效的可能性?！?/span>

研究人員說，這種方法還可用于開發(fā)其他疾病的方法，包括病毒或細菌感染。

柯林斯是這項發(fā)表在《自然通訊》上的新研究的作者。該論文的主要作者是麻省理工學院博士后 Rapha?l Gayet 博士 '22 和 Katherine Ilia 博士 '23、博士后 Shiva Razavi 和前博士后 Nathaniel Tippens。

RNA控制開關

許多涉及 DNA 或 RNA 傳遞的實驗療法——例如基因療法、基于 CRISPR 的療法和 RNA 干擾——目前正在開發(fā)中。此類療法的一個重要方面是確保它們僅在目標細胞中打開，使用可編程控制開關。

2021 年，柯林斯的實驗室開發(fā)了一種用于 RNA 療法的控制開關，稱為eToehold。該系統(tǒng)基于稱為內(nèi)部核糖體進入位點 (IRES) 的 RNA 分子，可以將其設計為響應細胞內(nèi)的特定信使 RNA (mRNA) 序列。然而，這些系統(tǒng)很難設計，因為它們的功能不僅取決于 IRES 分子的序列，還取決于其三維結構。 

對于這項新研究，研究人員希望創(chuàng)建一個更易于編程的系統(tǒng)。他們決定使用合成的 RNA 鏈（也稱為 RNA 構建體）作為靶向分子，而不是 IRESes。這將允許他們通過簡單地改變構建體的 RNA 序列來重新編程構建體以靶向不同的 mRNA 分子。

“有了這個新系統(tǒng)，我們就有了一種非常直接、可編程的方式來創(chuàng)建控制元素，這些控制元素只會在存在這些目標序列時做出響應，”柯林斯說。

為實現(xiàn)這一目標，研究人員利用了一種天然存在于大多數(shù)動物細胞中的酶，即作用于 RNA 的腺苷脫氨酶 (ADAR)。這種酶對 RNA 分子進行堿基編輯，將不匹配的腺苷堿基轉(zhuǎn)化為肌苷。這有助于細胞抵御入侵的病毒，以及其他功能。

ADAR 可以檢測和修復雙鏈 RNA 中的錯配，因此研究人員設計了他們的傳感器 RNA 構建體，使其包含與目標 mRNA 互補但有一個錯配的序列。這引起了細胞中自然存在的 ADAR 的注意，它修復了錯配。 

當 ADAR 在 RNA 傳感器中將腺苷轉(zhuǎn)化為肌苷時，該編輯會刪除序列中的終止密碼子。刪除該終止密碼子后，細胞開始讀取 RNA 結構，研究人員設計該結構包含兩個蛋白質(zhì)編碼基因。個是報告分子——在這種情況下，是一種熒光蛋白，可以讓研究人員看到合成基因被激活。 在未來的版本中，這可能會被編碼劑的基因所取代。

另一個合成基因編碼一種精簡版的 ADAR 酶。隨著更多 ADAR 的產(chǎn)生，該酶會發(fā)現(xiàn)并激活更多的合成 RNA 結構拷貝。這創(chuàng)建了一個正反饋回路，增強了熒光報告基因的表達。

其他研究人員已經(jīng)表明，ADAR 可用于這種 RNA 靶向，但大多數(shù)研究僅限于自然產(chǎn)生大量酶的細胞，例如神經(jīng)元。

“我們只需要非常少量的 ADAR 來初始觸發(fā)網(wǎng)絡。然后通過正反饋設計，這個小觸發(fā)器讓細胞表達高水平的緊湊型酶，這種酶內(nèi)置于構建體中，”柯林斯說。“這拓寬了該系統(tǒng)的潛在應用范圍，因為它現(xiàn)在不再局限于具有大 ADAR 背景水平的細胞。”

高度

在人體細胞測試中，研究人員探索了這種他們命名為 DART VADAR（通過 ADAR 檢測和擴增 RNA 觸發(fā)器）的傳感器是否能夠區(qū)分非常相似的 mRNA 序列。為此，他們將傳感器構建體插入到人類細胞中，這些細胞具有正常版本的 p53 基因或突變版本，后者僅相差一個堿基對，并且已知會促進癌癥的發(fā)展。

“我們證明了這些傳感器可以獲得非常高的分辨率和非常高的精度，”Gayet 說。“使用精心設計的傳感器，您可以獲得不同程度的激活，具體取決于細胞是否產(chǎn)生一些包含突變的 RNA。”

在小鼠細胞的另一組實驗中，研究人員表明傳感器結構可以區(qū)分分化為骨骼或肌肉細胞的密切相關的細胞類型。

因為研究人員使用了一種精簡版的 ADAR 酶，它只有大約 1,600 個堿基對，所以整個構建體 可以很容易地裝入 AAV 載體中——一種經(jīng)過修飾的無害病毒，通常在臨床上用于傳遞遺傳物質(zhì)在人類中。

研究人員現(xiàn)在計劃嘗試在癌癥動物模型中測試他們的系統(tǒng)，看看他們是否可以提供合成結構，通過只在這些細胞內(nèi)產(chǎn)生致命化合物來選擇性地殺死腫瘤細胞。

該研究由美國國立衛(wèi)生研究院和威斯生物啟發(fā)工程研究所資助。