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在我们的认知里，DNA是遗传信息的载体，蛋白质是生命功能的主要承担者，而RNA则是介于两者之间的传递枢纽。然而，RNA的结构复杂性和相对稳定性也使科学家们认为这种生物材料是新型治疗、合成生物标志物和疫苗的基础，在此次COVID-19大流行中，mRNA疫苗的开发和应用已经证明了这一点。
如果我们合成一个携带治疗、诊断或其他功能的RNA分子，将其传递到细胞中，那么就可以指示细胞产生所需的蛋白质，并行使相应的功能。但在这个过程中，研究人员面临的一个关键挑战是——如何确保只有那些引起或受特定疾病影响的细胞才会表达这种蛋白质，这种能力可以帮助RNA靶向治疗的副作用。
近日，美国哈佛大学和麻省理工学院（MIT）的研究团队在Nature Biotechnology期刊上发表了题为：RNA-responsive elements for eukaryotic translational control 的研究论文。
这项研究设计了一种新的RNA治疗技术——eToeholds，它可以选择性地启动靶细胞（包括人类细胞）的基因治疗，只有当细胞特异性或特定的病毒RNA存在时，相关的蛋白质编码序列才能得以表达。这将指导RNA靶向的基因治疗、病毒诊断和癌症治疗等应用平台的开发。
本研究的通讯作者James Collins教授表示：“这为RNA疗法的新兴领域带来了新的控制电路——可以在特定的组织细胞中启动治疗，实现更具体和更安全的RNA治疗和诊断方法。更重要的是，eToeholds技术不仅开辟了下一代RNA疗法，还适用于植物和其他高等生物，成为一种新的基础研究和合成生物学的研究工具。”
细菌的Toehold开关
早在，James Collins等人就成功在细菌中开发了Toehold开关，它们会对特定的触发RNA做出反应，通过细菌蛋白质合成机制启动所需蛋白质的合成。这项研究成果发表在Cell期刊上。
该系统的工作原理是引入Toehold RNA分子，该分子与编码特定蛋白质的mRNA分子的核糖体结合位点结合，这种结合阻止了靶标mRNA分子的翻译，因为它不能附着在核糖体上。与此同时，Toehold RNA还包含另一段序列，它可以结合到另一个触发mRNA序列上，作为一个触发器。如果这个目标mRNA序列被检测到，Toehold开关就会打开，被阻断的的蛋白翻译过程就能继续进行。
这种触发mRNA序列可以是任何基因，比如荧光报告分子。这种荧光信号为研究人员提供了一种可视化的方法，以确定目标mRNA序列是否被检测到。
真核Toehold开关——eToeholds
但遗憾的是，细菌Toehold开关不能应用于具有更复杂结构和蛋白质合成装置的人类细胞。因此，在这项新的研究中，研究团队开始尝试创建一个类似的、可以用于人类细胞的“Toehold开关”。
由于真核细胞中的基因翻译更为复杂，它们在细菌中使用的基因成分无法导入人类细胞。研究团队将目光转向病毒劫持真核细胞来翻译自身病毒基因的系统——内部核糖体进入位点（IRES）——它可以直接招募核糖体将mRNA翻译为蛋白质。
该研究的第一作者Evan Zhao博士解释道：“这是一种复杂的RNA折叠结构，病毒已经发展到劫持核糖体，因为病毒需要找到表达蛋白质的方法。”
eToeholds的设计和示意图
研究人员从不同类型的病毒中自然产生的IRES开始，并将它们插入到Toehold开关中，以此开发出基于RNA的真核生物Toehold开关，研究团队将其命名为eToeholds。当eToeholds开关转入人类细胞后，他会阻止靶标基因的表达，除非在细胞内检测到触发mRNA分子。
基于eToeholds的基因治疗、病毒检测和癌症治疗平台
在快速迭代的过程中，科学家们能够设计和优化在人类和酵母细胞中具有功能的eToeholds，以及无细胞蛋白质合成分析。他们利用这项技术开发出可以检测人类和酵母细胞内各种不同触发因素。
例如，他们发现可以检测到寨卡病毒和SARS-CoV-2的mRNA编码。研究人员进一步指出，这一技术的一个可能应用是设计T细胞，在感染期间检测并对新冠病毒乃至其他流行病毒的mRNA作出反应。
Evan Zhao博士博士表示：“我们进一步证明，表达eToeholds的稳定细胞系可以用于检测自然病毒感染（寨卡病毒）和病毒转录本（SARS-CoV-2）。我们还证明了eToeholds能够根据内源性RNA水平选择性激活蛋白质翻译，从而区分不同的细胞状态和细胞类型。”
eToeholds检测寨卡病毒
不仅如此，研究团队还设计了能检测人类细胞中自然产生的蛋白质mRNA的eToeholds，这有助于揭示细胞状态，如内质网应激。作为一个例子，研究人员展示了他们可以检测热休克蛋白的表达，这种蛋白通常在细胞暴露在高温下时产生的。
此外，研究人员还证明，可以通过检测酪氨酸酶mRNA的eToeholds来识别癌细胞，酪氨酸酶是一种在黑色素瘤细胞中产生过量黑色素的酶。这种靶向性可以使研究人员开发出一种治疗方法，当细胞中检测到癌变蛋白质时，这种蛋白质会引发细胞死亡。
eToeholds识别黑色素瘤细胞
研究的共同第一作者Angelo Mao表示：“我们的想法是，可以针对任何独特的RNA标记，并提供治疗。更重要的是，eToeholds和编码所需蛋白质的序列可以设计为更为稳定的DNA分子中，在引入细胞后，这些DNA分子会被转化为RNA分子，这就极大地增加了eToeholds传输到目的细胞的可能性。”
结语
James Collins教授表示：“eToeholds平台可以帮助靶向RNA治疗和一些针对特定细胞类型的基因治疗，这是十分重要的，因为许多核酸靶向疗法的临床应用受到过度脱靶毒性的阻碍。eToeholds技术能够根据mRNA信号翻译蛋白质或基于蛋白质的前体，这将有助于通过限制特定靶细胞所需治疗的激活来解决这一挑战。”
总而言之，这项研究开发了一种可以在真核细胞中表达的eToeholds系统，它可以根据触发mRNA分子的存在与否而在特定的细胞和组织中行使基因治疗、病毒检测甚至癌症治疗等功能，开辟了下一代RNA疗法，并有望成为一种基础研究和合成生物学的新型研究工具.
参考资料：
1. /articles/s41587-021-01068-2
2. /cell/fulltext/S0092-8674(14)01289-6
3. /news/mrna-etoehold-tech-could-enable-targeted-rna-therapeutics-diagnostics-and-cell-sensing/
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