Thorsten Stafforstst在最糟糕的时间内发现了他的大休息时间。 2012年,他在T大学的团队ü德国宾根发现,通过将酶与RNA的股线连接,它们可以改变细胞中的信使RNA分子序列。实质上,他们可以重写基因组’在制作蛋白质的路线上。

该过程理论上可以用于治疗众多疾病,两种具有遗传内限的疾病和那些将受益于正在产生的蛋白质的量或类型的变化。但Stafforst遇到了很多麻烦,让发现发布了—这不再有趣了。他的发现 在迄今为止,DNA编辑工具CRISPR经过几个月的发现被发现了–CAS9可用于永久改变基因组。

从那时起,Crispr已成为实验室的夹具,并产生了许多旨在使用该技术的公司开发药物和治疗的公司。 Stafforst说,斯塔福特说,随着Carrip吮吸所有的关注,人们对他的论文带来了漠不关心。他们问过,“为什么我们在那里需要这个’s DNA editing?”

但是Crispr编辑—至少作为人们的治疗技术—原来比最初想到更困难。研究人员记录了Cas9,Cas9,用于CRISPR基因编辑的酶之一,可以引发免疫应答,或导致对即永久性的基因组的意外变化。相比之下,RNA编辑可以允许临床医生制造消除蛋白质中突变,停止其生产或改变它们在特定器官和组织中工作的方式的临时修复。因为细胞迅速降解未使用的RNA,所以将被洗掉治疗引入的任何误差,而不是永远与一个人保持一致。

RNA编辑的兴奋终于捕获了。 2019年,根据Scopus,抽象和引文数据库的数据,研究人员在该主题上发表了400多篇论文。少数初级公司开始使用RNA编辑系统为从遗传疾病(如肌营养不良)和急性疼痛等临时疫苗等遗传疾病的所有内容产生潜在治疗。虽然基于RNA的药物由于交付和宽容挑战而难以达到市场,但有些 过去几年的监管批准 可能有助于为RNA编辑疗法铺平道路。

仍然存在几个障碍:目前的技术只能以几个有限的方式改变RNA序列,并使系统按计划在人体上工作,将证明具有挑战性。尽管如此,研究人员希望新技术,如蛋白质工程,以及将RNA传递给细胞的改进方法可以有助于克服这些限制。“它真的打开了一个我们避风港的世界’t seen before,” Stafforst says.

RNA的作用

分子遗传学的基础典礼—its central dogma—是,细胞机制忠实地将遗传信息从双链DNA模板转录成单链RNA信使,然后将其翻译成蛋白质。但在20世纪80年代,少数实验室注意到一些mRNA转录物包含在DNA中未编码的改变或额外的字母。在科学家发现了一种叫做作用于RNA(ADARS)的腺苷脱氨酶的酶系列,调查结果是有争议的。这些蛋白质与RNA结合并通过将称为腺苷的熟悉的碱改变为称为Inosine的分子来改变它们的序列。虽然不能一种规范RNA碱基,但细胞读取肌苷’S蛋白翻译机械作为熟悉的鸟苷。少数其他RNA编辑酶在同一时间左右表面。

在过去的三十年里,科学家们在过去的三十年里挣扎着了解RNA编辑的成就。编辑仅在双链RNA上工作,有时会在细胞中显示为监管要素—或作为病毒。有些人推测,ADAR蛋白作为对病毒的防御,但许多具有双链RNA的病毒不受酶影响。编辑可能提供监管功能,但大多数成年组织都不是’T产生编辑所需的蛋白质的高水平蛋白质。

Brenda Bass是犹他大学的盐湖城大学的生物化学家,是第一个识别青蛙胚胎的Adars。她说,没有人发现对非蛋白质编码RNA的变化的特定作用,该改变占大多数编辑分子的情况。编辑可以用于保护免疫发作中的双链RNA。低音怀疑Adars编辑双链的成绩单,将inosines添加为讲述身体单独离开它们的一种方式。酶似乎在胚胎发育中也有作用:缺乏ADAR基因在出生前死亡的小鼠或唐’t久之后。编辑似乎在成人生物的选择组织中也有一些功能—如头部的神经系统。

这是在2000年代初期将海洋生物学家Joshua Rosenthal的活动绘制了Marine Bosuical Gooshue Rosenthal。似乎高度智能的头孢膏(例如鱿鱼,墨鱼和章鱼),使用RNA编辑广泛地调节涉及神经细胞发育和信号传输的基因。众所周知,没有其他动物以这种方式使用RNA编辑。灵感来自这些观察结果,Rosenthal想知道是否有可能使用该系统纠正治疗环境中的功能障碍基因产生的消息。 2013年,他在圣胡安波多黎各大学的小组重新设计了ADAR酶,并将它们连接起来引导与mRNA中特定点结合的RNA—创造双线。有了这些,他们能够编辑青蛙胚胎的成绩单,甚至在培养中的人体细胞中。

类似于劳斯特·罗森塔尔,现在在马萨诸塞州伍兹洞的海洋生物实验室,看到他的出版物大多忽略了。他学到了类似的命运,已经陷入了一家名为核素的公司的工作,于1995年提出‘therapeutic editing’通过将互补序列插入青蛙胚胎并允许ADAR来编辑所得的双链分子并校正突变来突变RNA序列。

但在过去几年中,多种因素融合了罗森希尔’s and Stafforst’调查结果。加州大学戴维斯大学的化学家彼得比贝说,2016年出版物 ADAR的分子结构与双链RNA相结合,使系统更加易懂,使科学家能够更好地设计酶来增强其交付或使其更有效。在2018年,美国食品和药物管理局(FDA)批准了使用RNA干扰(RNAi)的第一次治疗:将一小块RNA插入其与天然mRNA结合并加速其降解的细胞中的一种技术。荷兰的Proqr Therapeutics的首席创新官Gerard Platenburg表示,批准为其他疗法开辟了门的其他疗法,这是追求各种基于RNA的疗法。“从过去学习,并随着批准的数量捡起来,该领域已经成熟了很多,” says Platenburg.

许多人认为RNA编辑作为使用诸如CRISPR等技术进行DNA编辑的重要替代方案。 CRISPR技术正在改善,但DNA编辑可能导致基因组其他部分中的不需要的突变—‘off-target effects’—这可能会产生新的问题。

此外,Rosenthal期望RNA编辑将证明没有遗传来源的疾病。他目前正在使用ADAR来编辑编码钠通道Nav1.7的基因的mRNA,其控制疼痛信号如何传递给大脑。通过DNA编辑永久改变Nav1.7基因可以消除感受疼痛和破坏神经系统中蛋白质的其他必要功能的能力,但通过RNA编辑在选择组织中调整有限的时间可以有助于缓解疼痛而没有与常规止痛药相关的依赖性或成瘾的风险。

类似地,RNA编辑可以允许研究人员模仿提供健康优势的遗传变异。例如,基因中具有某些突变的人 PCSK9调节血液中的胆固醇,往往具有较低的胆固醇水平,并改变 PCSK9 MRNA可以在不永久地破坏蛋白质的情况下赋予类似的优势’其他功能。海德堡德国癌症研究中心的Immunogist Nina Papavasiliou说,RNA编辑可用于对抗肿瘤。一些癌症劫持重要的细胞信号传导途径,例如参与细胞死亡或增殖的途径。如果RNA编辑器可以暂时征用RNA编辑,以便暂时关闭关键信号分子,“我们可以看到肿瘤死亡”。然后,患者可以停止治疗,允许途径恢复其正常功能。

作为治疗,RNA编辑可能不太可能导致潜在的危险免疫反应,而不是基于CRISPR的方法。与来自细菌的DNA编辑酶Cas9不同,ADAR是人类蛋白质’T触发免疫系统的攻击。“You really don’T需要重型机械来靶向RNA,” says Prashant Mali.是加州大学圣地亚哥的生物工程师。

在去年发布的一篇文章中,马里及其同事将导游RNA注入出生于出生的小鼠,其中遗传突变导致肌营养不良症。指导RNA设计用于触发缺失蛋白质的蛋白质的产生。虽然该系统仅编辑了少量的RNA编码营养不营蛋白,但它将蛋白质恢复到其正常水平的约5%’肌肉组织,呈现治疗潜力的量。

在缺失或功能失调蛋白质的其他疾病中,例如某种类型的血友病,“从没有任何东西到某事来说,它会产生巨大的差异”,Stafforst说,可能没有必要在身体中的每个细胞中编辑RNA。 RNA编辑可能比涉及注射新基因的基因治疗形式更好。马里和其他人说指导本土ADARS在细胞上运行’他自己的mRNA可能提供比引入外部工程基因更自然的响应。

然而,即使涉及到实验室应用,RNA编辑技术也远非完美。“It is early days,” Bass says. “There’s lots of questions.”由于ADARS比CRISPR更低,因此它们对制作转基因植物和动物可能不太有用。“作为研究工具,它’s very limiting,”加州斯坦福大学的遗传学家Jin Billy李说。

另一个主要缺点是Adars只能对RNA进行几种改变。 CRISPR系统通过在指定点的DNA处用剪刀并移除或插入新序列; ADAR更像是一种覆盖功能,可以在不破坏RNA分子的情况下改变字母’s ‘backbone’.

虽然这种过程不太可能导致意外突变,但它限制了酶以进行具体变化—在ADARS的情况下,腺苷与鼻窦,并通过一组叫做apobecs的酶(见)对尿苷的胞嘧啶(见‘The RNA corrections’)。有一些其他可能性。例如,葡萄植物可以将细胞苷改变为尿素,并且一些肿瘤可以将鸟氨酸变为腺苷。“生物多样性向我们提供了这些东西的答案,” Rosenthal says. “我觉得沿着线条,像鱿鱼一样的东西会教我们很多。”但他说该领域被解读—researchers don’t了解驱动此编辑的过程。并且仍有待观察到例如植物酶可以在人体细胞中起作用。

科学家已经在寻找工程可以扩展RNA编辑能力的新酶的方法。“It’是一个你不喜欢的过程’t know what you’ll find,”Massachusetts理工学院(麻省理工学院)的生物工程师奥马尔Abudayyeh表示。与麻省理工学院的CRISPERPIONEER一起工作,ABUDAYYEH及其同事将ADAR酶与CAS13联系起来。一种类似于CRISPR相关蛋白CA9的细菌酶,CAS13切割RNA代替DNA。研究人员改变了ADAR的序列,直至它可以将细胞苷转化为尿素。然后,它们使用人体细胞中的新系统来改变由几个基因编码的MRNA的碱基,包括 舆传。该基因的一种天然存在的遗传变体与阿尔茨海默料有关’S病,并编辑它可以将变体切换到无害的形式。

Abudayyeh和他的麻省理工学院合作者,生物工程师Jonathan Gootenberg承认,改变ADAR蛋白可能导致免疫系统阻止识别它作为含有它的天然人蛋白和攻击细胞。但是,他们说,因为这些编辑很小,这种风险似乎涉及关于免疫系统攻击Cas13或用于将编辑工具递送到细胞中的病毒的担忧。

研究人员在一个名为假染蛋白的自然过程中看到承诺,其中一组蛋白质和RNA酶化学改性mRNA中尿苷的结构。与ADAR修改不同,伪阳性不受影响’T改变mRNA或蛋白质的序列。相反,由于不完全清楚的原因,该方法稳定RNA分子并使翻译机械忽略指示其停止制造蛋白质的信号。

将这些分子红灯变成绿灯的能力可能是强大的。纽约罗切斯特大学的生物化学家义涛宇表示,数百个遗传疾病是由DNA突变引起的,即在MRNA中产生不正确的阻塞信号,导致缩短的蛋白质不变’T正常在身体上致电。“列表很长,”俞说,包括囊性纤维化,眼病潮风’S综合征和众多癌症。

尽管它提前阶段,研究人员—和生物技术投资者—对RNA编辑的宽潜力感到兴奋。“我在很酷之前进入了它,”Papavasiliou说,他们试图映射天然ADARS在身体中的工作。“多年来,这是一个回水,突然之间’一家公司每两周弹出一次。”

众多初创企业和建立的DNA编辑公司宣布打算进入RNA。它们包括马萨诸塞州波士顿波士顿的束治疗剂,该梁宇是由张和刘共同创立的,并且一直在发展肌肉DNA编辑作为几种血液疾病的治疗。基于圣地亚哥的Locana也在追求基于CRISPR的RNA编辑,即它希望治疗包括运动神经元疾病和亨廷顿的条件’s disease.

行业的挑战是为了解决将导向RNA进入细胞的最佳方法而不引发免疫反应或导致细胞降低它们。 BEAL表示,这可能包括对稳定它们的工程RNA制造战略化学修饰,或将它们嵌入能够潜入细胞中的纳米粒子或病毒中。

虽然ADAR已经在人体细胞中,人体在大多数组织中只能少量它们,这意味着任何治疗可能需要添加ADAR或其他酶以提高细胞’编辑能力。用编码RNA编辑所需的所有机器的基因包装病毒可能不会有效。许多希望它赢了’t be necessary.

Platenburg希望添加RNA并依靠自然发生的ADAR来帮助纠正有助于视网膜障碍的MRNA的刻字。“我们使用自然给予我们的系统并利用它,” he says.

包括Stafforst的研究人员是工程指南RNA,具有化学修饰,可吸引细胞中的ADAR到编辑网站。但有些研究人员担心将自然的ADARS共同编辑特定MRNA可以将它们从正常任务中拉出并导致其他健康问题。在身体的一部分中改变基因表达可能会影响不可预见的方式的其他部分。在马里’例如,由于未知原因,小鼠的肌营养不良研究表明小鼠发育了肝脏问题。“It’仍然是开发的工具,” he says.

“ADAR演变为让身体以非常有针对性的方式修改基地,”Nessan Bermingham表示,首席执行官和罗森哈尔和其他联合创始人和马萨诸塞州剑桥的生物技术公司Korro Bio的联合创始人。伯明翰对RNA编辑的前景持乐观态度,但谨慎措施不会领先于生物学。“我们有很多工作要做,因为我们开始成熟这些技巧,” he says. “We’重新留下任何东西,但我们必须认识到某些限制。”

本文已及其复制而成 第一次出版 on February 4 2020.