麻省理工学院和哈佛大学的研究人员设计了一种方法来选择性地开启靶细胞(包括人体细胞)的基因疗法。他们的技术可以检测细胞中特定的信使 RNA 序列，然后该检测会触发从转基因或人工基因中产生特定蛋白质。

由于转基因在错误的细胞中表达时会产生负面甚至危险的影响，因此研究人员希望找到一种方法来减少基因疗法的脱靶效应。区分不同类型细胞的一种方法是读取细胞内的 RNA 序列，这些序列因组织而异。

通过找到一种只有在“读取”细胞内的特定 RNA 序列后才能产生转基因的方法，研究人员开发了一种技术，可以在从再生医学到癌症治疗的应用中微调基因疗法。例如，研究人员可以通过设计他们的系统来识别癌细胞并在这些细胞内产生有毒蛋白质，并在此过程中杀死它们，从而可能创造出新的疗法来摧毁肿瘤。

“这为新兴的 RNA 疗法领域带来了新的控制电路，开辟了下一代 RNA 疗法，这些疗法可以设计为仅以细胞特异性或组织特异性方式开启，”特梅尔教授詹姆斯柯林斯说。麻省理工学院医学工程与科学研究所(IMES)和生物工程系的医学工程与科学，该研究的资深作者。

研究人员说，这种高度靶向的方法基于病毒用来控制宿主细胞中基因翻译的遗传元件，可能有助于避免影响整个身体的治疗的一些副作用。

哈佛大学 Wyss 生物启发工程研究所研究员 Evan Zhao 和 Wyss 研究所麻省理工学院博士后和技术研究员 Angelo Mao 是该研究的主要作者，该研究今天发表在Nature Biotechnology 上。

RNA检测

信使 RNA (mRNA) 分子是编码构建特定蛋白质指令的 RNA 序列。几年前，柯林斯和他的同事们开发了一种方法，利用 RNA 检测作为刺激细胞在细菌细胞中产生特定蛋白质的触发器。该系统的工作原理是引入一种称为“立足点”的 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。(核糖体是根据 mRNA 指令组装蛋白质的地方。)这种结合阻止了 mRNA 被翻译成蛋白质，因为它不能附着在核糖体上。

RNA 立足点还包含一个序列，该序列可以与作为触发器的不同 mRNA 序列结合。如果检测到该目标 mRNA 序列，则脚趾会释放其抓地力，并将被阻断的 mRNA 翻译成蛋白质。这种 mRNA 可以编码任何基因，例如荧光报告分子。该荧光信号为研究人员提供了一种可视化是否检测到目标 mRNA 序列的方法。

在这项新研究中，研究人员着手尝试创建一个类似的系统，该系统可用于真核(非细菌)细胞，包括人类细胞。

由于真核细胞中的基因翻译更为复杂，因此它们在细菌中使用的遗传成分无法输入到人体细胞中。相反，研究人员利用病毒用来劫持真核细胞的系统来翻译它们自己的病毒基因。该系统由称为内部核糖体进入位点 (IRES) 的 RNA 分子组成，它可以招募核糖体并启动 RNA 向蛋白质的翻译。

“这些是复杂的 RNA 折叠，病毒已经发展到劫持核糖体，因为病毒需要找到某种方式来表达蛋白质，”赵说。

研究人员从来自不同类型病毒的自然发生的 IRES 开始，并对其进行改造，使其包含与触发 mRNA 结合的序列。当工程化的 IRES 被插入到输出转基因之前的人类细胞中时，它会阻止该基因的翻译，除非在细胞内检测到触发 mRNA。触发器导致 IRES 恢复并允许基因被翻译成蛋白质。

靶向治疗

研究人员使用这种技术开发了可以检测人类和酵母细胞内各种不同触发因素的立足点。首先，他们表明他们可以从寨卡病毒和 SARS-CoV-2 病毒中检测到编码病毒基因的mRNA 。研究人员说，一种可能的应用可能是设计在感染过程中检测和响应病毒 mRNA 的 T 细胞。

他们还设计了可以检测人类细胞中自然产生的蛋白质的 mRNA 的立足点分子，这有助于揭示细胞状态，如压力。例如，他们表明他们可以检测热休克蛋白的表达，当细胞暴露在高温下时会产生热休克蛋白。

最后，研究人员表明，他们可以通过设计检测酪氨酸酶 mRNA 的立足点来识别癌细胞，酪氨酸酶是一种在黑色素瘤细胞中产生过量黑色素的酶。这种靶向可以使研究人员开发出治疗方法，当在细胞中检测到癌性蛋白质时，触发蛋白质的产生，从而引发细胞死亡。

“这个想法是，你将能够靶向任何独特的 RNA 特征并提供治疗方法，”毛说。“这可能是一种限制生物分子在目标细胞或组织中表达的方式。”

本文中进行的所有研究都是在实验室培养皿中生长的细胞中进行的。研究人员现在正在研究递送策略，使系统的 RNA 成分能够到达动物模型中的靶细胞。