冲绳科学技术研究所与Astellas Pharma Inc合作开发了一种新工具包

冲绳科学技术研究所 (OIST) 与 Astellas Pharma Inc. 合作开发了一种新工具包，该工具包使用小分子来控制一段合成 RNA 的活性，并最终调节基因表达。该技术于 2023 年 3 月 30 日在化学学会杂志上有所描述，适用于哺乳动物细胞培养和小鼠。

精确控制基因开启或关闭的能力有望提高使用动物细胞制造化合物的效率，并使基因疗法、细胞疗法和再生医学更加安全。

对于要表达的基因，细胞会制作一段 DNA 的许多 RNA 拷贝。这些 RNA 拷贝称为转录本，然后用于制造蛋白质。科学家可以通过将额外的基因(作为 DNA 或 RNA)引入细胞来利用这一过程，这些基因随后可用于制造用于各种应用的新蛋白质。例如，在基因治疗中，可以通过将基因引入编码该蛋白质工作版本的体细胞来治疗由缺陷蛋白质引起的疾病，而在再生医学中，插入基因的表达可以对细胞进行重新编程。具有药物应用的蛋白质，如激素和抗体，也可以通过将基因插入培养细胞来轻松生产和收集。

然而，在将 DNA 或 RNA 引入细胞后，科学家需要能够精确控制蛋白质的产生，以便在正确的时间以正确的数量产生蛋白质。这最大限度地提高了工作效率，并有助于避免对患者造成不必要的副作用。

控制基因表达的一种方法是使用“核糖开关”。OIST核酸化学与工程部门负责人并领导这项研究的 Yohei Yokobayashi 教授解释说：“这种技术涉及精心设计一种称为适体的 RNA 元件，它可以特异性结合小分子。该适体与其他 RNA 元件结合并插入完整的 mRNA 转录物中。引入细胞的 mRNA 处于开启或关闭状态，具体取决于小分子是否存在，因此称为“核糖开关”。这种开或关状态决定了 mRNA 转录物是否可用于制造蛋白质。”

然而，到目前为止，核糖开关的应用非常有限。使核糖开关激活或失活所需的小分子需要高剂量才能起作用，这要么是因为它们难以进入细胞，要么是因为它们不能有效地与细胞内的 RNA 适体结合，从而导致毒副作用。

“这些适体序列是在试管中用小分子设计和测试的，因此设计一个也可以在细胞的复杂环境中工作的序列已被证明对科学家来说是一个重大挑战，”Yokobayashi 教授说。

在这项研究中，研究人员选择了几种小分子，旨在开发能够在细胞内与它们结合的 RNA 适体。他们努力的结果是一个名为 AC17-4 的短 RNA 序列，它特异性结合两个小分子，“ASP2905”和“ASP7967”，由 Astellas Pharma 开发。这些分子是候选药物，因此它们很容易被细胞吸收并且毒性不高。ASP2905是为治疗神经系统疾病而开发的，是一种已经过I期临床试验的候选化合物。

研究人员检查了他们的核糖开关是否起作用，方法是将它们整合到编码绿色荧光蛋白的 RNA 转录物中，然后进入人源培养细胞。当这两种小分子被施用于细胞时，RNA 转录本的蛋白质产量增加了 10-300 倍，具体取决于核糖开关的设计。

“只有少数核糖开关在哺乳动物细胞中表现出这种增加。此外，使用容易被细胞吸收的化合物可以使核糖开关在低于先前已知核糖开关浓度十分之一的浓度下工作，”横林教授说。

接下来，考虑到基因治疗应用，Astellas 的研究人员使用一种病毒将核糖开关传递到小鼠体内。核糖开关旨在调节人促红细胞生成素 (hEPO) 的表达。这种蛋白质用于治疗与慢性肾病相关的贫血，是人类基因治疗的一个有吸引力的目标。当将载体注射到小鼠体内，同时口服化合物 ASP7967 时，血液中的 hEPO 水平比对照组高 7.2 倍。

对于这项研究的前景，Yokobayashi教授解释说，“这项研究开发的核糖开关已经足够实用，可以用于非临床应用，例如生物制药生产和动物实验，但还需要进一步改进才能用于临床应用，例如基因治疗.我们还将继续研究其他正在开发中并显示出可喜成果的化合物和适体。此外，我们正在考虑将核糖开关应用于其他生物，例如植物和昆虫。”

为了实现这些目标，研究团队正在积极寻找新的合作伙伴。