Nature:首次通过LNP递送tRNA,为遗传疾病带来全新治疗方式

2023-06-02 生物世界 生物世界 发表于上海

该研究通过LNP递送的工程化tRNA,在体外和体内成功抑制了无义突变,证明了天然tRNA可以被修饰并有效解码临床上重要的无义突变,且具有高安全性。

无义突变(nonsense mutations),即蛋白编码序列中的有义密码子变为提前终止密码子(premature termination codon,PTC)的一种DNA 突变类型,其引发了大约11%的人类遗传病。

转运RNA(tRNA)是mRNA翻译为蛋白质的关键执行者,tRNA通过自身的反密码子识别mRNA上的密码子,并将该密码子对应的氨基酸转运至核糖体合成中的多肽链上,从而实现mRNA向蛋白质的翻译过程。

早在40多年前,简悦威(Yuet Wai Kan)教授就率先提出了通过抑制性tRNA(suppressor-tRNA,简称sup-tRNA来治疗β-地中海贫血的方法。sup-tRNA能够诱导无义突变的通读,它与天然tRNA的序列大部分相同,但它的反密码子通过碱基配对原则可以识别终止密码子(UAG、UGA、UAA)。因此在蛋白质翻译过程中遇到PTC时,sup-tRNA可以引入对应的氨基酸到正在合成的肽链中,诱导通读从而获得有功能的全长蛋白。

然而,基于这一原理的tRNA疗法由于疗效不足、无法达到治疗阈值,以及安全性不足等问题的存在,尚未进入临床试验阶段。

2023年5月31日,德国汉堡大学、Arcturus Therapeutics、美国埃默里大学的研究人员合作,在 Nature 期刊发表了题为:Engineered tRNAs suppress nonsense mutations in cells and in vivo 的研究论文。

该研究通过LNP递送的工程化tRNA,在体外和体内成功抑制了无义突变,证明了天然tRNA可以被修饰并有效解码临床上重要的无义突变,且具有高安全性。

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tRNA结构

抑制性tRNA(sup-tRNA)疗法面临障碍是,并不是每个天然tRNA都可以通过改变其反密码子而被改造成sup-tRNA,部分原因是在真核生物中,对有义密码子的解码与终止密码子明显不同。此外,提前终止密码子(PTC)会激活mRNA监视通路,从而导致突变的mRNA被降解。这些原因导致sup-tRNA可能无法建立理想的碱基互补配对结合,从而导致无法有效解决翻译的提前终止和mRNA的降解。

因此,基于tRNA的基因治疗尚未产生临床疗效和安全性的最佳组合,也没有针对无义突变患者的治疗方法。

在这项最新研究中,研究团队提出了一种将天然tRNA改变为有效的抑制性tRNA(sup-tRNA)的策略,通过单独微调其序列以适应其携带的氨基酸的物理化学性质。利用天然tRNA的功能保守特征和反密码子外的调节序列,研究团队重新利用细菌tRNA,使其在终止密码子UGA上完全结合丙氨酸,其密码子-反密码子相互作用类似于有义密码子解码tRNA的形成的碱基互补配对结构。

研究团队还是用了一种新型LNP系统LUNAR来封装sup-tRNA,构建了安全的LNP-sup-tRNA。LUNAR系统是由Arcturus Therapeutics开发的新型LNP递送系统,其具有卓越的生物可降解能力,因此在体内具有更好的安全性。通过静脉注射或吸入LNP-sup-tRNA,能够恢复小鼠体内无义突变的功能蛋白的产生,且LNP-sup-tRNA在内源性天然终止密码子上没有明显读出。

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此外,研究团队还在人类细胞中进行了验证。囊性纤维化(CF)是一种遗传性外分泌腺疾病,主要影响胃肠道和呼吸系统,由CFTR基因突变所致,在发生CFTR提前终止密码子基因突变(PTC-CFTR)的人类患者细胞中,优化的sup-tRNA能够恢复其蛋白表达和功能,以及气道体积稳态。而且,这一过程无需抑制无义突变介导的mRNA降解。

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这项研究为开发基于tRNA的基因疗法提供了新的框架,能够在体内高效抑制提前终止密码子(PTC),恢复蛋白表达,且具有高安全性。

值得一提的是,2022年3月,美国麻省大学高光坪教授、王丹教授等在 Nature 期刊发表论文【2】

该研究首次成功地利用重组腺相关病毒(rAAV)抑制性tRNA(sup-tRNA)递送到体内,诱导蛋白翻译在无义突变处的通读,并在黏多糖贮积症I型(MPS-I,Hurler综合征)UAG无义突变小鼠模型上取得了长期、稳定、安全的疗效。

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近年来,基于tRNA的基因治疗正在成为新的风口,2021年以来,已有多家治疗性tRNA公司完成大额融资,包括 Alltrna、ReCode Therapeutics、Shape Therapeutics、Tevard Biosciences、hC Bioscience。

所有这些公司都专注于或部分专注于tRNA疗法,通过设计工程化tRNA,让其携带正确的氨基酸并引入到提前终止密码子(PTC)的位置,让蛋白质继续翻译下去,从而达到治疗疾病的目的。

据估计,大约11%的遗传疾病是由于提前终止密码子(PTC)所致,因此,理论上仅需一个这种抑制性tRNA(sup-tRNA)就可以消除这种无义突变导致的翻译提前终止,从而治愈数千种不同的遗传疾病。

这些新的研究成果,正在为基因治疗打开一扇全新的大门。

论文链接:

1. https://www.nature.com/articles/s41586-023-06133-1

2. https://www.nature.com/articles/s41586-022-04533-3

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