Nat Biotech | 可编程真核蛋白合成, 利用ADAR的RNA传感器

原创 图灵基因 图灵基因 2022-11-17 10:11 发表于江苏

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麻省理工学院-哈佛大学Broad研究所和麻省理工学院McGovern大脑研究所的研究人员开发了一种系统，可以检测活细胞中特定的RNA序列，并产生一种感兴趣的蛋白质。利用这项被称为可重编程ADAR传感器（RADARS）的技术，该团队展示了他们如何识别特定的细胞类型，检测和测量单个基因表达的变化，跟踪转录状态，以及控制合成mRNA编码的蛋白质的产生。

该平台甚至使团队能够瞄准并杀死一种特定类型的细胞，这意味着未来可能使用RADARS来帮助检测和选择性地杀死肿瘤细胞，或进行细胞特异性基因组编辑。

“基因组学的革命之一是对细胞转录组进行测序的能力。”Fei Chen博士说，他是Broad研究所核心研究成员，哈佛大学助理教授，也是研究人员发表在《Nature Biotechnology》上的文章的共同通讯作者。“这确实让我们了解了细胞的类型和状态。但通常情况下，我们无法专门操作这些细胞。RADARS是朝着这个方向迈出的一大步。”

Chen和他的同事们在一篇题为“Programmable eukaryotic protein synthesis with RNA sensors by harnessing ADAR”的论文中描述了他们的RADARS技术，他们在论文中总结道，“总的来说，RADARS构成了可编程生物传感器平台的基础，在生物医学研究、诊断和治疗方面有许多应用。”该研究团队由共同第一作者、Broad研究所的Jeremy Koob博士、Xi Chen博士、Yifan Zhang博士，以及麻省理工学院的Rohan Krajeski博士、Kaiyi Jiang博士领导。

作者在论文中指出，在生物系统中检测和响应特定RNA的可编程方法，将在研究、诊断和治疗方面有广泛的应用。“对于基础研究而言，转基因表达的可编程细胞状态靶向允许跟踪和干扰特定的细胞状态，以了解其功能。换句话说，细胞状态传感和靶向对于细胞和基因治疗以及微创诊断至关重要。”但是，正如McGovern研究所研究员、该研究的共同通讯作者Omar Abudayyeh博士评论的那样，“目前，我们所拥有的利用细胞标记的工具很难开发和设计。我们真的很想创造一种可编程的方式来感知和响应细胞状态。”

Jonathan Gootenberg博士也是McGovern研究所的研究员和共同通讯作者，他补充说，该团队正在寻找一种可以利用单细胞RNA测序提供的所有数据的工具，该测序已经揭示了人体中大量的细胞类型和细胞状态。“我们想知道，如何以一种像用CRISPR编辑基因组一样简单的方式来操纵细胞身份。”正如该团队在论文中进一步指出的那样，“一种通过简单的RNA碱基配对规则来感知和响应特定RNA标记的技术，将为转基因翻译的RNA控制提供一种直接、可编程的途径。”

该团队开发的RADARS平台利用细胞中自然发生的RNA编辑，在检测到特定的RNA时生成所需的蛋白质。“RADARS利用简单的碱基配对规则和RNA编辑，在目标RNA种类存在的情况下有条件地翻译mRNA。”研究人员继续说道。

该系统由一个包含两个部分的RNA组成：一个是引导区，它与科学家想要在细胞中检测的目标RNA序列结合，另一个是有效载荷区，它编码感兴趣的蛋白质，如荧光信号或细胞杀伤酶。科学家们在他们的论文中指出：“我们设计的RADARS由一个包含一个或多个与所需目标互补的杂交区域的‘引导’区域（引导区域内含有帧内终止密码子），以及包含引导的货物蛋白序列的下游区域组成。”当引导RNA与靶向RNA结合时，会产生一个短的双链RNA序列，其中包含序列中两个碱基-腺苷（A）和胞嘧啶（C）之间的错配。这种错配吸引了一个天然存在的RNA编辑蛋白家族，称为作用于RNA的腺苷脱氨酶（ADAR）。

在RADARS中，A-C错配出现在引导RNA中的“停止信号”内，这阻止了所需有效载荷蛋白的产生。ADAR编辑并使停止信号失效，允许该蛋白的翻译。这些分子事件的顺序是决定RADARS传感器功能的关键；只有在引导RNA与靶向RNA结合，并且ADAR使停止信号失效之后，才会产生感兴趣的蛋白质。

该团队在不同的细胞类型、不同的目标序列和蛋白质产物中测试了RADARS。他们发现，RADARS能区分肾脏、子宫和肝脏细胞，并能产生不同的荧光信号以及一种杀死细胞的酶——半胱氨酸蛋白酶。RADARS还可以在很大的动态范围内测量基因表达，证明了它们作为传感器的实用性。他们评论道：“我们将RADARS应用于多种环境，包括追踪转录状态，RNA传感诱导的细胞死亡，细胞类型识别，以及合成mRNA翻译的控制。”

大多数系统使用细胞本身的ADAR蛋白成功检测到目标序列，但该团队发现，向细胞补充额外的ADAR蛋白会增加信号的强度。Abudayyeh表示，这两种情况都可能有用；利用细胞的原生编辑蛋白可以最大限度地减少治疗应用中脱靶编辑的风险，但当RADARS作为实验室研究工具使用时，补充这些蛋白可以帮助产生更强的效果。

Abudayyeh、Chen和Gootenberg认为，由于引导RNA和有效载荷RNA都是可修改的，其他人可以很容易地重新设计RADARS，以针对不同类型的细胞，并产生不同的信号或有效载荷。他们还设计了更复杂的RADARS，在该RADARS中，如果细胞感知到两种RNA序列，就会产生一种蛋白质，如果细胞感知到其中一种RNA序列，就会产生另一种蛋白质。

该团队指出，类似的RADARS可以帮助科学家们同时检测多种细胞类型，以及单个RNA转录本无法定义的复杂细胞状态。最终，研究人员希望制定一套设计规则，以便科学家们能够更容易地为自己的实验开发RADARS。Gootenberg指出：“我们很兴奋地看到该领域如何利用它。” 研究人员评论说，其他科学家可以利用RADARS来操纵免疫细胞状态，跟踪神经元对刺激的反应，或向特定组织输送治疗性mRNA。该团队写道：“RADARS平台的优势，包括高灵敏度、可重编程性、对细胞的最小扰动、输入的组合逻辑和模块化，使其成为基础研究和转化研究中无数应用的理想选择。对于RADARS载荷，可以使用多种不同类型的蛋白质输出，包括荧光蛋白、发光蛋白、半胱氨酸蛋白酶、重组酶和小肽。转录因子可以用于细胞分化模型，或触发响应性转录因子级联。”

“我们认为这是控制基因表达的一个非常有趣的范例。”Chen说，“我们甚至无法预测什么是最好的应用程序。这真的来自于拥有有趣生物学知识的人和你开发的工具的结合。”