mRNA療法因其程序化、可擴展性以及設計和合成的便捷性而備受關注。盡管mRNA疫苗在短期內產生了大量的抗原表達，但其在體內長期生產治療性蛋白質方面的表現受限。傳統的mRNA藥物由于RNA的不穩定性及低表達效率，需要高劑量給藥，可能導致細胞毒性。因此，提高mRNA載體的翻譯持續時間和整體蛋白質產量成為研究的重點。
鑒于此，麻省理工學院王瀟等研究人員設計并合成了具有多個合成poly(A)尾的拓撲和化學修飾mRNA。通過優化的多尾mRNA，研究人員在體外實驗中觀察到比對照mRNA高出4.7至19.5倍的發光信號，體內實驗中觀察到的信號持續時間也從對照組的小于7天延長至14天。此外，研究還實現了在小鼠肝臟中對臨床相關基因Pcsk9和Angptl3的高效多重基因組編輯，且使用的mRNA劑量最小。
圖|帶有多個poly（A）尾部的嵌合mRNA的概念化
多尾mRNA的設計、合成與篩選
為了合成多尾mRNA，研究者采用了一種結合化學合成和酶促連接的方法。首先，通過固相合成技術制備了含有特定化學修飾的單鏈poly(A)尾，這些修飾包括磷硫?；?'-O-甲氧基乙基（2MOE）等，旨在提高mRNA的穩定性。然后，通過點擊化學反應（CuAAC）將這些單鏈poly(A)尾連接到一個含有5'-磷酸基團的“莖”寡核苷酸上，形成多尾結構。這一過程需要精確控制化學反應條件，以確保高效且特異性的連接。
通過電泳遷移率變化實驗，研究人員證實了多尾結構的poly(A)尾能夠有效地與PABPC1結合，這有助于保護mRNA免受降解，并維持其翻譯能力。此外，研究中使用的磷硫?；?MOE修飾被證明能夠有效抵抗核酸酶的降解，從而增強mRNA的穩定性。還有，這些化學修飾并未影響mRNA與PABPC1的正常結合，保證了mRNA的正常翻譯。
多尾mRNA的翻譯效率提升
研究中，通過在HeLa細胞中轉染優化的多尾mRNA，研究人員觀察到與對照組相比，多尾mRNA在24至72小時后的發光信號顯著增強，提升了4.7至19.5倍。這一結果表明，多尾mRNA在提高翻譯效率方面具有顯著優勢。
mRNA穩定性的增強
通過使用STARmap和RIBOmap技術，研究人員能夠在單細胞水平上對mRNA的穩定性和翻譯效率進行定量分析。結果顯示，與未修飾的mRNA相比，多尾mRNA在細胞內的半衰期顯著延長，表明其穩定性得到了增強。此外，研究還證實多尾mRNA依賴于傳統的eIF4E-eIF4G翻譯啟動機制，表明其在翻譯過程中保持了mRNA的正常功能。
圖|支鏈聚（A）尾穩定mRNA的機制表征
實現長期蛋白表達
在小鼠模型中，通過尾靜脈注射封裝有多尾mRNA的脂質納米顆粒（LNPs），研究人員發現多尾mRNA在體內的發光信號持續時間顯著延長，可達14天，而對照組的信號在7天后便難以檢測。
圖|多尾mRNA在體內表現出延長的蛋白質表達
提升基因編輯效率
研究還探索了多尾mRNA在基因編輯方面的應用。通過共注射針對Pcsk9和Angptl3基因的單導向RNA（sgRNAs）和多尾Cas9 mRNA，研究人員在小鼠肝臟中實現了高效的基因編輯。編輯效率通過下一代測序（NGS）進行量化，結果顯示多尾mRNA組的編輯效率顯著高于對照組。
此外，通過檢測小鼠血清中的腫瘤壞死因子（TNF）水平以及肝功能指標（AST和ALT），研究人員評估了多尾mRNA的安全性。結果顯示，多尾mRNA處理組的小鼠與對照組相比，這些生物標志物的水平沒有顯著差異，表明多尾mRNA在體內具有良好的安全性和耐受性。
圖|使用穩定的Cas9 mRNA進行體內多重基因組編輯
小結
這項研究通過創新的mRNA設計，顯著提高了mRNA的翻譯效率和穩定性，為mRNA療法的發展開辟了新的道路。通過這種方法，未來的治療性蛋白質可以在體內更有效地生產，從而為治療各種疾病提供了新的策略。此外，這種方法的成功應用也為基因編輯技術提供了新的工具，有望在精準醫療領域發揮重要作用。隨著研究的深入，我們期待看到更多基于這一技術的創新應用，為患者帶來更有效的治療方案。
參考文獻：
Chen, H., Liu, D., Guo, J. et al. Branched chemically modified poly(A) tails enhance the translation capacity of mRNA. Nat Biotechnol (2024).
https://doi.org/10.1038/s41587-024-02174-7
王瀟， 麻省理工大學化學系助理教授。她于2019年建立了自己的實驗室，致力于開發和應用新的化學、生物物理和基因組工具，以更好地了解分子水平上的組織功能和功能障礙。2010年本科畢業于北京大學，2015年博士畢業于芝加哥大學。
