《Nature》子刊:MIT開發細胞專一基因療法轉譯系統 力抗脫靶效應

2021/10/29
《Nature》子刊:MIT開發細胞專一基因療法轉譯系統 力抗脫靶效應
美國時間28日,麻省理工學院(MIT)與哈佛大學的研究團隊在《Nature Biotechnology》發表最新生物工程研究,他們以病毒的基因元件為基礎,設計出一種在真核細胞中,能夠先感測細胞內部的特
美國時間28日,麻省理工學院(MIT)與哈佛大學的研究團隊在《Nature Biotechnology》發表最新生物工程研究,他們以病毒的基因元件為基礎,設計出一種在真核細胞中,能夠先感測細胞內部的特定mRNA序列,再驅使細胞製造特定蛋白質的系統,使得基因療法得以在特定種類的細胞或組織中啟動,有助於改善基因療法脫靶效應(off-the-target effects)、避免某些影響到全身的副作用。
 
研究團隊所針對的痛點,是當轉入的基因在錯誤的細胞中表現,就可能會帶來負面效應,甚至造成危險,因此希望能夠找出能夠降低基因療法脫靶效應的方法。而此系統應用的策略,就是透過讀取細胞內的特定mRNA序列,來區隔不同種類的細胞,例如遭特定病毒感染的細胞或是癌細胞,再啟動標靶細胞內的蛋白質轉譯。
 
負責帶領此研究的通訊作者、MIT醫學工程與科學知名學者James Collins表示,這項技術將為正在崛起的RNA療法,帶來新的控制電路(control circuitry),進而開啟具備細胞或組織專一性的次世代RNA療法。
 
James Collins的研究團隊,在數年前就開發出一種能夠在原核生物(細菌)細胞中,利用偵測RNA誘導細胞製造特定蛋白質的技術。他們設計出一段稱為「立足點」(toehold)的髮夾彎狀RNA分子,將其和負責編碼特定蛋白質的RNA的核糖體結合位(ribosome-binding site)結合,可以阻擋核糖體的結合、避免mRNA轉譯出蛋白質。
 
這個立足點RNA還包含了一段序列,能和不同的mRNA序列結合、充當誘發者(trigger)的角色。如果這段標靶mRNA被偵測到,立足點RNA就會鬆開,讓原本被阻擋的特定RNA恢復轉譯功能。這項特性如果搭配螢光報導蛋白質,科學家就能藉由螢光訊號,看見在哪些細胞中的標靶mRNA被偵測到。
 
而在這項新發表的研究中,研究團隊希望創造一套類似的系統,能夠應用在非細菌的真核細胞中,例如酵母菌細胞和人類細胞。不過,在真核細胞中,從基因序列到產生蛋白質的轉譯程序比細菌更加複雜,難以將這套系統送入人類細胞。
 
因此,研究團隊利用病毒利用真核宿主細胞來製造病毒遺傳物質的系統,來改良既有系統,其中包括了稱為「內部核糖體進入點」(internal ribosome entry sites, IRES)、能夠吸引核糖體並啟動RNA轉譯步驟的基因元件。
 
研究團隊從不同的病毒中,挑選自然存在的IRES,並透過基因工程,讓它們和一段充當誘發者的mRNA相互連結。這些經過編程的IRES可以先阻擋基因的轉譯,送入人類細胞後,除非偵測到特定的誘發mRNA,否則IRES都不會起作用、基因也不會轉譯出蛋白質。
 
接著,他們利用這項技術,在實驗室中開發出各種立足點RNA,偵測各種人類細胞和酵母菌細胞內,可當成誘發者的mRNA。例如針對茲卡病毒或新冠病毒(SARS-CoV-2),設計出專門偵測、並對病毒mRNA做出反應的基因工程T細胞;若針對熱休克蛋白(heat shock proteins)的mRNA,就可以知道細胞對環境溫度產生的壓力應變。
 
研究團隊也證明,他們能夠透過立足點系統,偵測特定mRNA來辨識癌細胞,例如讓系統偵測酪胺酸酶(tyrosinase)基因mRNA,辨識出製造過量黑色素的黑色素瘤(melanoma),未來若將能和促進細胞死亡的蛋白質合併使用,就能進而殺死癌細胞。
 
參考資料:
https://www.news-medical.net/news/20211028/A-new-approach-to-selectively-turn-on-gene-therapies-in-target-cells.aspx
原始研究:
https://www.nature.com/articles/s41587-021-01068-2
 
(編譯 / 吳培安)