《Nature Biotechnology》新方法改良信使RNA疗法

在COVID-19疫苗中使用信使RNA (mRNA)拯救生命，是基于mRNA的疗法潜力的一个公开例子，它在从癌症免疫疗法到基因编辑的广泛治疗应用中具有巨大的前景。

麻省理工学院Broad研究所、哈佛大学和麻省理工学院的研究人员致力于为特定用途优化mRNA药物的系统方法，他们已经开发出一种剪裁mRNA的方法，与天然mRNA相比，这种方法可以产生更丰富的蛋白质，或者产生更长时间的蛋白质。这为在各种情况下以更低剂量、副作用更少的mRNA为基础的疗法打开了大门。

在先前研究将多种化学“尾巴”附着在mRNA上的基础上，由Broad核心研究所成员Xiao Wang领导的研究人员系统地测试了mRNA的许多不同化学修饰，并测量了它们对蛋白质翻译的影响。利用他们从这些实验中学到的知识，他们开发了一种框架-连接激活信使RNA寡核苷酸组装，或LEGO -使研究人员能够化学修饰mRNA分子的结构并影响它们与细胞蛋白质翻译机制的相互作用，从而达到预期的治疗效果。他们关于LEGO的研究发表在《Nature Biotechnology》杂志上。

“我们项目的首要目标是创造出一种治疗方法，充分利用mRNA作为一种信息分子的潜力，它可以传递任何感兴趣的蛋白质，”Wang实验室的博士生Hongyu Chen说，他与其他博士生Dangliang Liu和Abhishek Aditham共同撰写了这项研究。“这是一项非常通用的技术。”

该团队希望最终能建立一个全面的方案，使研究人员能够优化mRNA药物的每个成分，实现以前只有在更传统的小分子药物中才能实现的治疗控制。

“我们最终希望综合扩展字母表，创造新的结构，并解码mRNA医学的化学语言，以最大限度地发挥其在不同治疗环境下的潜力，”Wang说，他是该论文的资深作者。

针对COVID-19开发的mRNA疫苗只需要产生适量的蛋白质，就可以让免疫系统启动并产生强大的抗感染抗体。但在某些情况下，如血友病或糖尿病，患者缺乏或低水平的蛋白质，激素或酶，并需要治疗，可以在体内替代它们。在它们的自然状态下，mRNA分子是短命的，通常在降解之前只在很短的时间内被翻译成蛋白质。但根据治疗目标的不同，一种理想的基于mRNA的治疗方法可能会长期产生蛋白质，从而减少患者接受治疗的次数，或者快速提供大量蛋白质。

这就是LEGO可以发挥巨大作用的地方。

LEGO允许研究人员通过改变mRNA分子的5'和3'端(分别是它们的“帽”和“尾”)来优化mRNA分子的翻译效率。修饰mRNA的帽可以影响mRNA转化为蛋白质的程度，而修饰mRNA的尾部会影响mRNA的稳定性和降解。Chen、Liu、Aditham、Wang和他们的同事发现，通过混合和匹配帽尾修饰——包括添加多个帽尾和分子分支——他们可以微调mrna的寿命和翻译效率，以实现特定的治疗目标。

研究人员利用LEGO开发了一种mRNA激素替代疗法，该疗法编码促红细胞生成素激素，刺激红细胞生成以治疗贫血。在老鼠身上，这种药物——一种带有双支帽和其他修饰的mRNA——使细胞产生比普通mRNA多8倍的蛋白质。他们还使用相同的mRNA修饰创造了一种优化的COVID-19疫苗，在小鼠中，与常规的COVID-19疫苗相比，两周后抗体产量增加了17倍。

除了优化线性mRNA外，研究小组还使用LEGO测试了圆形mRNA的修饰，圆形mRNA更耐降解，但细胞使用效率较低的方法翻译。通过在环状RNA上添加一个分支帽，研究人员创造了一种“QRNA”，当设计它来编码荧光蛋白时，与常规环状RNA相比，它产生的荧光增加了60倍。虽然与线性mRNA相比，QRNA离成为一种有效的治疗方法还很远，但通过观察不同的修饰如何影响QRNA的翻译，研究人员能够更多地了解细胞如何自然产生蛋白质。

研究结果表明，mRNA具有开发针对多种疾病的高效靶向治疗的潜力，同时为构建适合特定需求的mRNA提供了框架。

他说:“在我们已经尝试过的大多数应用中——在疫苗或蛋白质替代疗法中——我们可以通过这些修饰获得更高的治疗效果。如此微小的化学变化可以惊人地提高mRNA的稳定性和可翻译性。”