麻省大学陈医学院的研究支持开发新的基于抑制性tRNA的基因疗法

根据一篇新论文，麻省大学陈医学院的基因治疗研究人员首次证明，在罕见遗传病I型粘多糖贮积症的小鼠模型中，抑制转移 RNA (tRNA) 疗法可以在治疗后长达六个月内恢复蛋白质生产。发表在《自然》杂志上。

高光平博士、王丹博士及其同事报告了 AAV 传递的“在提前终止密码子上运行的无义抑制 tRNA”，简称 AAV-NoSTOP。该研究支持开发一种新的抑制 tRNA 疗法工具箱，该工具箱可以潜在地恢复包括心脏、肌肉、大脑和肝脏在内的许多组织中的天然基因功能，从而减轻由过早终止密码子突变引起的遗传疾病。

基因替代和转基因疗法专注于修复或重建有缺陷的遗传物质以产生治疗效果。当前的基因治疗方法面临着诸如毒性、不必要的脱靶效应和有害免疫反应等挑战。同时，基因编辑机器(例如基于 CRISPR 的系统)的交付可能具有挑战性，因为它们的尺寸和大多数交付机制的有限货物空间。由于 tRNA 疗法利用细胞的天然细胞蛋白质制造机器并且相对较小，因此它们具有恢复内源性基因调控的潜在优势，而这些挑战较少。然而，技术限制阻碍了科学家们进行正式研究，以解决 tRNA 基因治疗在疾病动物模型中的安全性、效率和功效。

“我们的研究是第一个在人类疾病动物模型中提供证据的正式研究，证明基于 tRNA 的疗法可以安全地恢复基因表达，”RNA 疗法助理教授王博士说。“我们表明，有可能在体内提供一个对患病动物具有长期安全性和有效性的 tRNA 平台。通过在动物中实现长期基因表达，抑制 tRNA 开辟了一个全新的机会，为广泛的遗传疾病建立基因疗法。”

转移 RNA 在细胞内蛋白质的合成过程中发挥着关键作用。它们负责将各种氨基酸物理结合在一起，当这些氨基酸结合在一起时，就会形成功能性蛋白质。与信使 RNA (mRNA) 类似，信使 RNA (mRNA) 携带以正确顺序组装氨基酸以形成蛋白质的指令，每个 tRNA 分子在物理上将氨基酸连接到正确的 mRNA 序列。这些 tRNA 与氨基酸结合，并将它们带到细胞中称为核糖体的蛋白质制造机器。每个 tRNA 的末端是一个反密码子，一个三核苷酸序列。该反密码子对应于沿 mRNA 链的互补序列。当核糖体“读取”mRNA时，tRNA负责移动，然后将其氨基酸转移到沿着mRNA序列的正确位置。

在每个 mRNA 说明手册中都有额外的指示——称为终止密码子——告诉核糖体机器何时完成蛋白质以及何时停止添加氨基酸。然而，在某些情况下，基因内的单个核苷酸突变会导致核糖体过早地停止构建蛋白质。这些过早的终止密码子会产生不完整的蛋白质，这些蛋白质会对细胞产生毒性或导致蛋白质不再能够发挥其所需的功能——在某些情况下，会出现毒性和功能丧失。

“大约 11% 的遗传疾病是由导致过早终止密码子的单核苷酸突变引起的，”合著者高博士解释说，他是Penelope Booth Rockwell 生物医学研究教授，微生物学和生理系统教授，主任贺来基因治疗中心、李伟波罕见病研究所联席所长。“有可能设计一个治疗平台，使用抑制性 tRNA 疗法来治疗因过早终止密码子而形成的其他疾病。这将包括某些类型的囊性纤维化和肌营养不良症。”

Wang 和 Gao 开发了一种抑制 tRNA，它允许核糖体机器跳过这些过早的终止密码子，从而导致蛋白质制造装置继续构建完整的功能性蛋白质。研究人员将他们的 tRNA 疗法(通过重组腺相关病毒 (rAAV) 传递给具有 IDUA 基因突变的小鼠)表明，有可能恢复功能性蛋白质水平，并且没有观察到任何副作用。

IDUA 基因的突变导致 I 型溶酶体贮积症粘多糖贮积症。IDUA 基因为产生一种称为 α-L-艾杜糖醛酸酶的酶提供指令，该酶对于分解称为糖胺聚糖 (GAG) 的大糖分子至关重要。α-L-艾杜糖苷酶活性的缺乏导致硫酸乙酰肝素和硫酸皮肤素在溶酶体内的积累。研究人员认为，积累的 GAG 还可能干扰溶酶体内其他蛋白质的功能，并破坏细胞内分子的运动。

高和王选择在 I 型粘多糖贮积症上测试他们的 AAV-NoSTOP，因为这种疾病的生化效应遍布全身，可以研究多种组织类型。

尽管 tRNA 技术已经存在了 40 多年，但由于无法评估修改 tRNA 序列的生化影响，将技术转化为治疗的速度已经放缓。Wang 和 Gao 能够利用新开发的核糖体分析和 tRNA 测序技术对他们的结果进行生化检测并评估潜在的脱靶效应。

研究结果支持抑制 tRNA 可以恢复正常蛋白质生产的观点，Wang 说。这样的平台将消除传递可能超过 AAV 载体包装限制的全长基因的需要，并避免由基因编辑技术(如 CRISPR 相关蛋白)引起的有害免疫反应。

“当与针对不同组织开发的基于 AAV 的基因传递技术相结合时，AAV-NoSTOP 平台将成为开发基于基因的疗法的潜在有价值的临床补充，”高说。