在一項新的研究中，來自馬薩諸塞大學(xué)醫(yī)學(xué)院的研究人員首次證實一種抑制性轉(zhuǎn)移RNA（tRNA）療法能夠在長達(dá)6個月的時間里恢復(fù)罕見遺傳病I型粘多糖?。╩ucopolysaccharidosis type I）的小鼠模型中的蛋白產(chǎn)生。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2022年4月23日的Nature期刊上，論文標(biāo)題為“AAV-delivered suppressor tRNA overcomes a nonsense mutation in mice”。論文通訊作者為馬薩諸塞大學(xué)醫(yī)學(xué)院的Guangping Gao博士和Dan Wang博士。

這些作者報道了腺相關(guān)病毒（AAV）遞送的“在過早終止密碼子上起作用的無義抑制性tRNA（nonsense suppressor tRNAs operating on premature termination codons）”，簡稱AAV-NoSTOP。這項新的研究支持開發(fā)一種新的抑制性tRNA療法工具箱，該工具箱有可能恢復(fù)包括心臟、肌肉、大腦和肝臟在內(nèi)的一系列組織的天然基因功能，從而緩解由過早終止密碼子突變引起的遺傳疾病。

基因替代療法和轉(zhuǎn)基因療法側(cè)重于修復(fù)或重建有缺陷的遺傳物質(zhì)以產(chǎn)生治療效果。目前的基因治療方法面臨挑戰(zhàn)，如毒性、不必要的脫靶效應(yīng)和有害的免疫反應(yīng)。與此同時，基因編輯工具，如基于CRISPR的系統(tǒng)，具有較大的尺寸，再加上大多數(shù)遞送系統(tǒng)的有限貨物空間，遞送它們可能具有挑戰(zhàn)性。鑒于tRNA療法利用了細(xì)胞的天然細(xì)胞蛋白制造機(jī)制，并且相對較小，它們具有恢復(fù)內(nèi)源性基因調(diào)控的潛在優(yōu)勢，而面臨的這些挑戰(zhàn)較少。然而，技術(shù)上的限制阻礙了科學(xué)家們在疾病動物模型中對tRNA基因療法的安全性、效率和療效進(jìn)行正式研究。

Wang博士說，“我們的研究是第一個在人類疾病的動物模型中提供證據(jù)的正式研究，它證實基于tRNA的療法可以安全地恢復(fù)基因表達(dá)。我們發(fā)現(xiàn)有可能在體內(nèi)提供一種tRNA平臺，并在患病的動物中具有長期的安全性和有效性。通過在動物體內(nèi)實現(xiàn)長期的基因表達(dá)，抑制性tRNA為建立針對一系列遺傳性疾病的基因療法開辟了一個全新的機(jī)會?！?/p>

tRNA在細(xì)胞內(nèi)如何制造蛋白方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。它們負(fù)責(zé)以物理方式將各種氨基酸聚集在一起，當(dāng)它們結(jié)合在一起時，形成功能性蛋白。與攜帶著按正確順序組裝氨基酸以形成蛋白的指令的信使RNA（mRNA）類似，每個tRNA分子將氨基酸在物理上連接到正確的mRNA序列。這些tRNA結(jié)合著氨基酸，并將它們攜帶到細(xì)胞中稱為核糖體的蛋白制造機(jī)器。在每個tRNA的頂端是一個反密碼子（anticodon），即一個三核苷酸序列。這個反密碼子與mRNA鏈上的一個互補(bǔ)序列相對應(yīng)。當(dāng)核糖體“讀取”mRNA時，tRNA負(fù)責(zé)移動，然后將它攜帶的氨基酸沿著mRNA序列轉(zhuǎn)移到正確位置。

抑制性tRNA（suppressor tRNA, sup-tRNA）抑制HEK293中的mIdua-W401X突變，圖片來自Nature, 2022, doi:10.1038/s41586-022-04533-3。

在每個mRNA指令手冊中都有額外的指令---終止密碼子，該指令告訴核糖體何時蛋白完全形成，何時停止添加氨基酸。然而，在某些情況下，基因內(nèi)部的單個核苷酸突變會導(dǎo)致核糖體過早地停止合成蛋白。這些過早終止密碼子產(chǎn)生不完整的蛋白，所產(chǎn)生的不完整蛋白可能對細(xì)胞是有毒性的，或?qū)е碌鞍撞辉倌軌驁?zhí)行它們的正常功能---在某些情況下，毒性和功能喪失都會隨之而來。

Gao博士解釋道，“所有遺傳病中約有11%是由導(dǎo)致過早終止密碼子的單一核苷酸突變引起的。也許有可能設(shè)計一種治療平臺，該平臺利用抑制性tRNA療法來治療其他因過早停止密碼子出現(xiàn)而形成的疾病。這包括某些類型的囊性纖維化和肌肉萎縮癥。”

Wang博士和Gao博士及其同事們開發(fā)了一種抑制性tRNA，它允許核糖體跳過這些過早終止密碼子，使核糖體繼續(xù)構(gòu)建完整的功能性蛋白。他們通過重組腺相關(guān)病毒（rAAV）將他們的tRNA療法遞送到IDUA基因發(fā)生突變的小鼠體內(nèi)，發(fā)現(xiàn)這能夠恢復(fù)功能性的蛋白水平，并且沒有觀察到任何副作用。

IDUA基因突變導(dǎo)致溶酶體儲存障礙I型粘多糖病。IDUA基因編碼一種稱為α-L-艾杜糖苷酶（alpha-L-iduronidase）的酶，該酶對于分解稱為糖胺聚糖（glycosaminoglycan, GAG）的大糖分子至關(guān)重要。缺乏alpha-L-iduronidase酶的活性會導(dǎo)致硫酸乙酰肝素和硫酸皮膚素在溶酶體內(nèi)積累?？茖W(xué)家們認(rèn)為，積累的GAG也可能干擾溶酶體內(nèi)其他蛋白的功能，并破壞細(xì)胞內(nèi)分子的運(yùn)動。

Wang博士和Gao博士及其同事們選擇在I型粘多糖病上測試他們的AAV-NoSTOP，因為這種疾病的生化影響存在于整個身體，可以對多種組織類型進(jìn)行研究。

盡管tRNA技術(shù)已經(jīng)存在了40多年，但由于無法評估修改tRNA序列的生化影響，將該技術(shù)轉(zhuǎn)化為治療方法的速度一直很慢。Wang博士和Gao博士能夠利用新開發(fā)的核糖體圖譜（ribosome profiling）和tRNA測序技術(shù)，對他們的結(jié)果進(jìn)行生化分析，并評估潛在的脫靶效應(yīng)。

Wang博士說，這些研究結(jié)果支持這樣的觀點，即抑制性tRNA可以恢復(fù)正常的蛋白產(chǎn)生。這樣的平臺將消除遞送可能超過AAV載體包裝限制的全長基因的需要，并避免CRISPR相關(guān)蛋白等基因編輯技術(shù)引起的有害免疫反應(yīng)。

Gao博士說，“當(dāng)與正在為不同組織開發(fā)的基于AAV的基因遞送技術(shù)相結(jié)合時，AAV-NoSTOP平臺將成為開發(fā)基于基因的治療方法的一個潛在的有價值的臨床補(bǔ)充?！保?a >生物谷 Bioon.com）

參考資料：

1. Jiaming Wang et al. AAV-delivered suppressor tRNA overcomes a nonsense mutation in mice. Nature, 2022, doi:10.1038/s41586-022-04533-3.

2. Research supports development of new suppressor-tRNA-based gene therapies
https:///news/2022-04-suppressor-trna-based-gene-therapies.html