使用RNA传感器，麻省理工学院的工程师设计了一种触发细胞开启合成基因的新方法。他们的方法可以通过确保合成基因仅在特定细胞中被激活，为癌症和其他疾病创造靶向疗法成为可能。

研究人员证明，他们的传感器可以准确地识别表达p53基因突变版本的细胞，该基因驱动癌症的发展，并仅在这些细胞内打开编码荧光蛋白的基因。在未来的工作中，他们计划开发传感器，以触发癌细胞中细胞杀伤蛋白的产生，同时保留健康细胞。

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“人们对减少治疗的脱靶效应越来越感兴趣，”麻省理工学院医学工程与科学研究所(IMES)和生物工程系的Termeer医学工程与科学教授James Collins说。“有了这个系统，我们可以靶向非常特定的疾病细胞和组织，这开辟了识别癌细胞然后提供高效疗法的可能性。

研究人员说，这种方法也可用于开发其他疾病的治疗方法，包括病毒或细菌感染。

柯林斯是这项新研究的资深作者，该研究发表在Nature Communications上。该论文的主要作者是麻省理工学院博士后Raphaël Gayet博士"22和Katherine Ilia Ph.D. "23，高级博士后Shiva Razavi和前博士后Nathaniel Tippens。

核糖核酸控制开关

许多涉及DNA或RNA递送的实验性疗法，如基因疗法、基于CRISPR的疗法和RNA干扰疗法，目前正在开发中。这种疗法的一个重要方面是确保它们仅在靶细胞中打开，使用可编程控制开关。

2021 年，柯林斯的实验室开发了一种用于 RNA 疗法的控制开关，称为 eToehold。该系统基于称为内部核糖体进入位点(IRES)的RNA分子，可以设计为响应细胞内的特定信使RNA(mRNA)序列。然而，这些系统很难设计，因为它们的功能不仅取决于IRES分子的序列，还取决于其三维结构。

对于这项新研究，研究人员希望创建一个更容易编程的系统。他们决定使用合成的RNA链(也称为RNA构建体)作为靶向分子，而不是IRESes。这将允许他们通过简单地改变构建体的RNA序列来重新编程构建体以靶向不同的mRNA分子。

“有了这个新系统，我们有一种非常简单、可编程的方式来创建控制元件，这些控制元件只会在这些目标序列存在时做出响应，”柯林斯说。

为了实现这一目标，研究人员利用了一种天然存在于大多数动物细胞中的酶，称为作用于RNA的腺苷脱氨酶(ADAR)。该酶对RNA分子进行碱基编辑，将不匹配的腺苷碱基转化为肌苷。这有助于细胞抵御入侵的病毒，以及其他功能。

ADAR可以检测和修复双链RNA中的错配，因此研究人员设计了他们的传感器RNA构建体，使其包含与其靶mRNA互补但有一个不匹配的序列。这引起了细胞中自然存在的ADAR的注意，从而修复了不匹配。

当ADAR在RNA传感器中将腺苷转化为肌苷时，该编辑会删除序列中的终止密码子。在去除该终止密码子后，细胞开始读取RNA构建体，研究人员设计该构建体包含两个蛋白质编码基因。第一种是针对报告分子 - 在这种情况下，一种荧光蛋白，可以让研究人员看到合成基因被激活。在未来的版本中，这可以被编码治疗剂的基因所取代。

另一个合成基因编码ADAR酶的精简版本。随着更多的ADAR产生，酶发现并激活合成RNA构建体的更多拷贝。这创造了一个正反馈环，增强了荧光报告基因的表达。

其他研究人员已经表明，ADAR可用于这种RNA靶向，但大多数研究仅限于自然产生大量酶的细胞，如神经元。

“我们只需要非常少量的ADAR来最初触发网络。然后通过正反馈设计，这个小触发器让细胞表达高水平的高密度形式的酶，这种酶内置于构建体中，“柯林斯说。“这拓宽了该系统的潜在应用用途，因为现在它不仅限于具有大背景水平ADAR的细胞。

高精度

在人类细胞的测试中，研究人员探索了这种传感器，他们命名为DART VADAR(通过ADAR检测和扩增RNA触发器)，是否可以区分非常相似的mRNA序列。为此，他们将传感器构建体插入具有正常版本的p53基因或突变版本的人类细胞中，这些细胞仅与单个碱基对不同，并且已知会驱动癌症的发展。

“我们表明，你可以为这些传感器获得非常高的分辨率和非常高的精度，”Gayet说。“使用精心设计的传感器，您可以获得不同程度的激活，具体取决于细胞是否产生一些包含突变的RNA。

在另一组小鼠细胞实验中，研究人员表明，传感器结构可以区分分化为骨细胞或肌肉细胞的密切相关的细胞类型。

由于研究人员使用了ADAR酶的精简版本，该酶只有约1，600个碱基对，因此整个构建体可以很容易地适应AAV载体 - 一种修饰的无害病毒，通常用于临床中传递人类遗传物质。

研究人员现在计划尝试在癌症动物模型中测试他们的系统，看看他们是否可以提供合成结构，通过仅在这些细胞内产生致命化合物来选择性地肿瘤细胞。