研究背景
信使RNA (mRNA)作为一类新兴药物，因其优异的可编程性和安全性被广泛应用于疫苗、肿瘤免疫疗法、基因治疗和蛋白质替代疗法等重要研究领域。传统mRNA药物较短的半衰期和有限的蛋白生产能力限制了其在具有更高治疗阈值疗法中的应用。因此，如何发展新的mRNA优化方法来提高蛋白表达量以推动下一代mRNA药物的产生成为了关键问题。研究结果与展望
美国麻省理工学院化学系/Broad研究所王潇团队提出mRNA-寡聚核苷酸组装策略（RNA LEGO, 图1），利用化学酶法实现了汇聚式mRNA模块化合成，在更大的化学空间上探索了mRNA 5′和3′以及环状RNA修饰和拓扑结构改造，为提高mRNA药物翻译效率提供了新思路。
图1 LEGO：用于对mRNA进行化学和拓扑修饰的策略
首先，研究者合成并筛选了mRNA帽以及5′非翻译区的多种化学修饰。随后，为了进一步增强mRNA的翻译效率，研究者结合化学加帽反应和点击化学构建了含有双帽结构的枝状寡聚核苷酸，并通过T4连接酶接入mRNA的5′端，形成多帽mRNA。结合mRNA 5′化学修饰、双帽拓扑结构改造以及该课题组前期发展的mRNA 3′ 化学修饰，研究者将荧光素酶mRNA的蛋白表达水平提高了>10倍。机制上，结合多种生化表征、定量蛋白质谱以及空间翻译组检测，研究者发现：（1）mRNA帽以及5′非翻译区域的化学修饰可以提高与翻译起始因子的结合强度，同时化学修饰使得mRNA具有对脱帽酶(hDcp2)的抗性，提高mRNA稳定性；（2）双帽结构通过提高mRNA与翻译起始因子eIF4E的相互作用提高翻译起始速率进而提高翻译效率。
此外，研究者结合T4 RNA连接酶和RtcB连接酶首次构建了带有枝状帽结构且含有100% N1-甲基伪尿嘧啶修饰的环状RNA并命名为“QRNA”，证明了环状RNA利用帽依赖机制进行翻译的可行性，并在体外和体内实现了对环状RNA翻译效率的大幅提高。 通过对不同拓扑结构RNA翻译的研究，研究者提出 “帽临近驱动的翻译”模型（图2）：当5′帽以及非翻译序列通过天然磷酸二酯键、非天然共价或非共价互补配对等方式与mRNA相互作用时，在mRNA蛋白编码区附近的帽结构便可招募核糖体以“插入(slot-in)”的模式着陆于编码区内驱动蛋白翻译。
图2 “帽临近驱动的翻译”模型
最后，研究者测试了该技术在mRNA疫苗和蛋白替代疗法中的治疗效果。经优化的编码人促红细胞生成素(hEPO)的双帽mRNA-LNP复合物能够在小鼠体内产生近8倍的hEPO蛋白表达并显著提高小鼠血液中网织红细胞的比例。在针对SARS-CoV-2的mRNA疫苗应用中，经优化的mRNA不仅在注射后七天内产生抗体免疫反应，而且在加强针免疫一周后产生3.7倍于未修饰mRNA组的抗体滴度。
综上所述，作者通过发展新的mRNA合成策略（RNA-LEGO）拓展了mRNA的化学修饰空间及其构效关系的研究；对mRNA进行拓扑结构改造并构建了多帽mRNA，拓展了合成mRNA性质调控的新维度；应用具有不同拓扑结构的合成mRNA，深入探索了翻译起始的机制，并提出“帽临近驱动的mRNA翻译”模型，为后续的mRNA设计提供的新的思路；利用优化的mRNA提高了合成mRNA在SARS-CoV-2疫苗和hEPO蛋白替代疗法中的治疗效果。作者简介
该工作由麻省理工学院化学系/Broad研究所王潇课题组完成，麻省理工学院化学系博士生陈泓宇，刘当亮和生物工程系博士生Abhishek Aditham为论文的共同第一作者。《自然-生物技术》Nature Biotechnology
DOI: 10.1038/s41587-024-02393-y
Chemical and topological design of multicapped mRNA and capped circular RNA to augment translation
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