▲本研究的主要负责人 Paula Hammond 博士（图片来源：The Boston Globe）

利用 mRNA 作为疫苗和药物来预防或治疗某些疾病正逐渐成为制药企业关注的焦点。

通过将称为信使 RNA（mRNA）的遗传物质输送到细胞中，科学家们可以诱导细胞产生由 mRNA 编码的任何蛋白质。这种技术具有很大的潜力来发展疫苗或治疗诸如癌症的疾病，但是实现 mRNA 的有效递送是实现其临床转化的一大挑战。

近日，麻省理工学院 (MIT) 化学工程系研究人员从细胞将自身的 mRNA 转化为蛋白质的方式获得灵感，设计了一种合成体系用于 mRNA 输送，其效力比单独使用 mRNA 高 4 倍。

“我们需要一种更有效的机制运送 mRNA，而以往的方法运送效率很低。” 该工作的通讯作者 Paula Hammond 博士说。她是 MIT 化学工程系主任，David H. Koch 荣誉教授，同时是 MIT Koch 癌症研究所教授。这项工作日前发表在《应用化学》（Angewandte Chemie）期刊上。该论文的共同第一作者是博士后 Jiahe Li 和博士生 Yanpu He。

蛋白质机器

mRNA 将不能离开细胞核的 DNA 所携带的基因指示传递给位于细胞质中的核糖体，核糖体基于 mRNA 序列组装蛋白质。mRNA 作为治疗疾病或递送疫苗的潜在手段非常有吸引力，因为当 mRNA 链被翻译成所需蛋白质之后，它最终会被降解。

“mRNA 治疗不会改变患者的基因，”Hammond 博士说。 “不会发生基于 DNA 的基因治疗可能发生的基因组整合，所以安全系数要高得多。”

为使治疗有效，mRNA 必须有效地进入细胞，一旦进入细胞，mRNA 就需要到达核糖体才能作为模板指导蛋白质合成。在以前的研究中，MIT 的研究人员发现，他们可以通过将蛋白质帽连接到 mRNA 链的一端来提高 mRNA 翻译的速度。这个帽帮助 mRNA 形成一个需要启动翻译的复合体。

 

▲普通 mRNA 的结构（图片来源：维基百科）

在这次发表的新研究中，她们把注意力放在 mRNA 分子的另一端。自然发生的 mRNA 通常具有长的“poly- A 尾”，由长序列的腺苷重复组成，有助于稳定 mRNA 分子并帮助其抵抗被细胞中的酶分解。Hammond 博士团队决定将一种称为 poly- A 结合蛋白的蛋白质附于该尾部。这种在细胞中天然存在的蛋白质有助于 mRNA 结合核糖体并开始翻译过程。

然后，她们用一种称为多肽的聚合物包被该复合物，所使用的多肽是串联在一起的一系列经修饰的氨基酸。该多肽有助于保持多聚 A 结合蛋白和 mRNA 紧密接触，并且有助于中和带负电荷的 mRNA。如果不通过中和，带负电荷的 mRNA 不能通过细胞膜

一旦聚合物包被的 mRNA 进入细胞，poly- A 结合蛋白会保护它不被分解，并帮助它与核糖体结合。 这时的 mRNA 形成闭环，使得核糖体可以在其上循环多次，产生多拷贝的目标蛋白。这一设计中，通过与更经济的合成多肽和蛋白质组合，可以显著增强昂贵的 mRNA 的治疗作用。

 

 

▲本研究的共同第一作者 Jiahe Li 博士（图片来源：MIT）

“传统的方法只是将 mRNA 递送到细胞中，”Jiahe Li 博士说。 “但是，一旦 mRNA 进入细胞，它可能会被降解，所以我们组装的复合体对启动 mRNA 翻译至关重要。”

没有参与此项研究的美国俄亥俄州立大学（Ohio State University）药物和载药系统教授 Peixuan Guo 说，这一方法也有助于克服传递 mRNA 的另一个挑战：分子非常大。“Paula Hammond 博士的研究小组在本文中的研究结果证明，通过使用 poly- A 结合蛋白可以有效地传递 mRNA。 这项技术显示了有效载药量的大幅增加，为 mRNA 治疗铺平了道路。”

蛋白质表达增高

研究人员通过将编码荧光素酶基因（一种发光的蛋白质）的 mRNA 递送到小鼠的肺部来测试该系统。他们发现，使用这种传递方法，细胞产生的蛋白质量提高 4 倍。

研究人员认为，该系统更有效率的一个原因是，在 mRNA 进入细胞后，它不再需要在拥挤的细胞质环境中寻找 poly- A 结合蛋白。“我们意识到，细胞内的 poly- A 结合蛋白可能只够来翻译自己的 mRNA，一旦你给予过量的 mRNA，细胞就没有足够的这种辅助蛋白来帮助它翻译。我们意识到我们需要给它更多的辅助蛋白，与我们的多肽预先组装起来以模拟蛋白质合成时的结构，然后将该仿生组件共同递送到细胞中。“

在这项研究中，由于多肽的正电荷，mRNA 复合体颗粒附着到红细胞上，并富集到肺部。研究人员现在计划探索用聚合物修饰颗粒，从而将聚合物引导到体内的其他位置，例如肿瘤。他们还通过向一端添加疏水尾巴，以及通过连接 PEG 的聚合物来进一步改善多肽分子的稳定性。这些修改都应该有助于分子在体内循环更长时间，使其达到预定目的地。

 

 

▲这项研究有望推进 mRNA 药物的开发（图片来源：MIT）

鉴于已经有 mRNA 疫苗在 1 期临床中展现了积极的结果，此项提高 mRNA 治疗效率的研究成果必将进一步推动 mRNA 药物的研发。我们期待有更多的新型药物进入到市场中，帮人们更好地管理健康，攻克顽疾。

参考资料：

[1] Bio-inspired approach to RNA delivery

[2] Polyamine-Mediated Stoichiometric Assembly of Ribonucleoproteins for Enhanced mRNA Delivery (Angewandte Chemie)