РНК наиболее известны как молекулы, транслирующие информацию, закодированную в генах, в белки с их бесчисленным множеством активностей.

Однако из-за своей структурной сложности и относительной стабильности РНК также привлекли большое внимание как ценный биоматериал, который можно использовать для создания новых видов терапии, синтетических биомаркеров и, конечно же, мощных вакцин, как мы узнали из пандемия COVID-19.

Доставка синтетической молекулы РНК в клетку по существу инструктирует ее производить желаемый белок, который затем может выполнять терапевтические, диагностические и другие функции. Основная задача исследователей заключалась в том, чтобы позволить экспрессировать белок только клеткам, вызывающим или затронутым определенным заболеванием, а не другим. Эта способность может значительно упростить производство белка в организме и избежать нежелательных побочных эффектов.

Теперь команда синтетических биологов и инженеров клеток во главе с Джеймсом Дж. Коллинзом, доктором философии. в Институте биологической инженерии Висса и Массачусетском технологическом институте (MIT) разработали eToeholds – небольшие универсальные устройства, встроенные в РНК, которые обеспечивают экспрессию связанной последовательности, кодирующей белок, только при наличии клеточно-специфической или вирусной РНК. Устройства eToehold открывают множество возможностей для более целенаправленных видов РНК-терапии, in vitro подходов к клеточной и тканевой инженерии, а также распознавания разнообразных биологических угроз для людей и других высших организмов. Результаты представлены в Nature Biotechnology .

В 2014 году команда Коллинза вместе с сотрудником факультета Wyss Core Пэн Инь, доктором философии, успешно разработала переключатели для бактерий, которые экспрессируются в выключенном состоянии и реагируют на определенные триггерные РНК путем включения синтез желаемого белка с помощью аппарата синтеза бактериального белка. Однако конструкция опоры для ног бактерий не может использоваться в более сложных клетках, включая клетки человека, с их более сложной архитектурой и устройством для синтеза белка.

В этом исследовании мы взяли элементы IRES [internal ribosome entry sites]тип элемента управления, распространенного в некоторых вирусах, которые используют механизмы трансляции эукариотических белков, и сконструировали их с нуля в универсальные устройства, которые можно программировать. для определения клеточных или патоген-специфичных триггерных РНК в клетках человека, дрожжей и растений. eToeholds может позволить использовать более специфические и безопасные терапевтические и диагностические подходы к РНК не только у людей, но также у растений и других высших организмов, а также использоваться в качестве инструментов в фундаментальных исследованиях и синтетической биологии »

.

Джеймс Дж. Коллинз, доктор философии, Институт биологической инженерии Висса и Массачусетский технологический институт

Контрольные элементы, известные как «внутренние сайты входа в рибосомы», сокращенно IRES, представляют собой последовательности, обнаруженные в вирусной РНК, которые позволяют синтезирующим белок рибосомам клетки-хозяина доступ к сегменту вирусного генома рядом с последовательностью, кодирующей вирусный белок. . После прикрепления к РНК рибосомы начинают сканировать последовательность, кодирующую белок, одновременно синтезируя белок, последовательно добавляя соответствующие аминокислоты к его растущему концу.

«Мы разработали последовательности IRES путем введения комплементарных последовательностей, которые связываются друг с другом с образованием структур с парными ингибирующими основаниями, которые не позволяют рибосоме связываться с IRES», – сказал соавтор исследования Эван Чжао, доктор философии, кто является научным сотрудником постдокторантуры в команде Коллинза. «Элемент последовательности, кодирующей петлю шпильки, в eToeholds разработан таким образом, что он перекрывается со специфическими сенсорными последовательностями, которые комплементарны известным триггерным РНК. Когда триггерная РНК присутствует и связывается со своим комплементом в eToeholds, петля шпильки разрывается и рибосома может включиться, чтобы выполнять свою работу и производить белок ».

Чжао объединился с соавтором и научным сотрудником по развитию технологий Wyss Анджело Мао, доктором философии, в проекте eToehold, который позволил им объединить свои соответствующие области знаний в области синтетической биологии и клеточной инженерии, чтобы открыть новые горизонты в манипулирование последовательностями IRES.

В процессе быстрой итерации они смогли разработать и оптимизировать eToeholds, которые были функциональными в клетках человека и дрожжей, а также тесты на бесклеточный синтез белка. Они достигли 16-кратной индукции флуоресцентных репортерных генов, связанных с eToeholds, исключительно в присутствии соответствующих триггерных РНК, по сравнению с контрольными РНК.

«Мы разработали eToeholds, которые специфически выявляли вирусную инфекцию Зика и присутствие вирусной РНК SARS-CoV-2 в клетках человека, а также другие eToeholds, запускаемые клеточно-специфическими РНК, такими как, например, РНК, которая экспрессируется только в коже. меланоциты », – сказал Мао. «Важно отметить, что eToeholds и последовательности, кодирующие желаемые белки, связанные с ними, могут быть закодированы в более стабильные молекулы ДНК, которые при введении в клетки преобразуются в молекулы РНК, адаптированные к предполагаемому типу экспрессии белка. Это расширяет возможности eToehold. доставка к клеткам-мишеням ".

Исследователи полагают, что их платформа eToehold может помочь нацелить РНК-терапию и некоторые генные терапии на определенные типы клеток, что важно, поскольку многим таким методам лечения препятствует чрезмерная токсичность, не соответствующая цели. Кроме того, он может облегчить ex vivo подходы к дифференцировке, которые направляют стволовые клетки по путям развития для создания определенных типов клеток для клеточной терапии и других приложений. Превращение стволовых клеток и промежуточных клеток во многих дифференцирующихся клеточных линиях часто не очень эффективно, и eToeholds может помочь в обогащении желаемых типов клеток.

"Это исследование показывает, как Джим Коллинз и его команда на платформе Wyss Living Cellular Device разрабатывают инновационные инструменты, которые могут продвинуть разработку более конкретных, безопасных и эффективных методов лечения РНК и клетками и таким образом положительно повлиять на жизнь людей. много пациентов ", – сказал директор-основатель Wyss Дональд Ингбер, доктор медицины, доктор философии, который также является профессором сосудистой биологии Джуды Фолкмана в Гарвардской медицинской школе и Бостонской детской больнице и профессором биоинженерии в Гарварде. Школа инженерных и прикладных наук Джона А. Полсона.