将一个合成的RNA分子传递到细胞中，本质上是指示细胞产生所需的蛋白质，然后这些蛋白质可以执行治疗、诊断和其他功能。研究人员面临的一个关键挑战是，只允许引起或受特定疾病影响的细胞表达这种蛋白质，而不允许其他细胞表达。这种能力可以显著简化体内蛋白质的生产，并避免不必要的副作用。

现在，由Wyss生物工程研究所和麻省理工学院(MIT)的詹姆斯·j·柯林斯博士领导的一组合成生物学家和细胞工程师，已经开发了eeehold——一种内置在RNA中的小型多功能设备，仅当存在细胞特异性或病毒RNA时，才能表达连接的蛋白质编码序列。eehold设备为更有针对性的RNA治疗类型、体外细胞和组织工程方法以及对人类和其他高等生物的多样化生物威胁的感知提供了多种机会。研究结果发表在《自然生物技术》杂志上。

2014年，Collins的团队与Wyss Core成员peng Yin博士合作，成功开发了细菌的“立脚开关”，该开关在关闭状态下表达，并通过细菌蛋白质合成机制打开所需蛋白质的合成来响应特定的触发rna。然而，细菌足点设计不能用于更复杂的细胞，包括具有更复杂结构和蛋白质合成装置的人类细胞。

“在这项研究中,我们把IRES(内部核糖体进入位点)元素,在一定控制元件的一种常见病毒,利用真核蛋白质翻译机器,并策划他们从地面到多功能设备,可以计划感觉细胞或pathogen-specific触发rna在人类,酵母,和植物细胞，”柯林斯说。“eehold可以使更具体和更安全的RNA治疗和诊断方法不仅在人类，也在植物和其他高等生物，并被用作基础研究和合成生物学的工具。”

控制元件被称为“内部核糖体进入位点”，简称IRESs，是在病毒RNA中发现的序列，允许宿主细胞的蛋白质合成核糖体接近病毒基因组的一个片段，该片段紧挨着编码病毒蛋白质的序列。一旦附着在RNA上，核糖体就开始扫描蛋白质的编码序列，同时通过在其生长端按顺序添加相应的氨基酸来合成蛋白质。

“我们通过引入互补序列相互结合，形成抑制碱基对结构，从而向前工程IRES序列，阻止核糖体结合IRES，”共同第一作者Evan Zhao博士说，他是柯林斯团队的博士后研究员。“eToeholds中的发夹环编码序列元素被设计成与已知触发rna互补的特定传感器序列重叠。当触发RNA出现并在etoehold中与其补体结合时，发夹环断开，核糖体可以打开来完成它的工作并产生蛋白质。”

Zhao与Wyss技术发展研究员Angelo Mao博士在eehold项目中进行了合作，这使他们能够结合各自在合成生物学和细胞工程领域的专业知识，在IRES序列的操作上取得新的突破。

在快速迭代的过程中，他们能够设计和优化在人类和酵母细胞中具有功能的etoe，以及无细胞蛋白质合成检测。与对照rna相比，他们仅在适当的触发rna存在的情况下，实现了与eeehold相连接的荧光报告基因的16倍诱导。

毛教授说:“我们设计的eehold可以专门检测寨卡病毒感染和人类细胞中SARS-CoV-2病毒RNA的存在，以及其他由细胞特异性RNA触发的eehold，比如一种只在皮肤黑素细胞中表达的RNA。”“重要的是，eeehold和编码所需蛋白质的序列可以编码在更稳定的DNA分子中，当引入细胞时，这些DNA分子被转换成RNA分子，这是为我们预期的蛋白质表达类型量身定制的。这就扩大了ehold传输到目标细胞的可能性。”

研究人员相信他们的eehold平台可以帮助针对特定细胞类型的靶向RNA治疗和一些基因治疗，这是很重要的，因为许多此类治疗受到过度脱靶毒性的阻碍。此外，它可以促进体外分化方法，引导干细胞沿着发育路径生成特定的细胞类型，用于细胞治疗和其他应用。沿着许多分化细胞系的干细胞和中间细胞的转化往往不是很有效，eehold可以帮助丰富所需的细胞类型。

“这项研究突出表明，吉姆·柯林斯和他的团队在Wyss活细胞设备平台上正在开发创新工具，可以推进更具体、安全、有效的RNA和细胞疗法的发展，从而对许多患者的生活产生积极影响，”Wyss的创始董事Donald Ingber博士说，他也是哈佛医学院和波士顿儿童医院的Judah Folkman血管生物学教授，以及哈佛约翰·a·保尔森工程与应用科学学院的生物工程教授。

研究的其他作者海伦娜·德·普伊格博士Kehan Zhang博士Nathaniel Tippens,博士,小棕褐色,医学博士,f·安跑,博士,Wyss研究助理以撒汉,彼得?阮博士,艾玛·Chory博士,蒂芙尼华,pradeep Ramesh博士,Wyss科学家大卫·汤普森博士,水晶尤里哦,和马克斯·埃里克·Zigon英语。这项研究得到了巴斯夫、美国国立卫生研究院(在#RC2 DK120535-01A1)和威斯生物启发工程研究所的资助。

Journal Reference:

Evan M. Zhao, Angelo S. Mao, Helena de puig, Kehan Zhang, Nathaniel D. Tippens, Xiao Tan, F. Ann Ran, Isaac Han, peter Q. Nguyen, Emma J. Chory, Tiffany Y. Hua, pradeep Ramesh, David B. Thompson, Crystal Yuri Oh, Eric S. Zigon, Max A. English, James J. Collins. RNA-responsive elements for eukaryotic translational control. Nature Biotechnology, 2021; DOI: 10.1038/s41587-021-01068-2332.htm (accessed October 28, 2021).