在一项新的研究中，来自马萨诸塞大学医学院的研究人员首次证实一种抑制性转移RNA（tRNA）疗法能够在长达6个月的时间里恢复罕见遗传病I型粘多糖病（mucopolysaccharidosis type I）的小鼠模型中的蛋白产生。相关研究结果发表在2022年4月23日的Nature期刊上，论文标题为“AAV-delivered suppressor tRNA overcomes a nonsense mutation in mice”。论文通讯作者为马萨诸塞大学医学院的Guangping Gao博士和Dan Wang博士。
这些作者报道了腺相关病毒（AAV）递送的“在过早终止密码子上起作用的无义抑制性tRNA（nonsense suppressor tRNAs operating on premature termination codons）”，简称AAV-NoSTOP。这项新的研究支持开发一种新的抑制性tRNA疗法工具箱，该工具箱有可能恢复包括心脏、肌肉、大脑和肝脏在内的一系列组织的天然基因功能，从而缓解由过早终止密码子突变引起的遗传疾病。
基因替代疗法和转基因疗法侧重于修复或重建有缺陷的遗传物质以产生治疗效果。目前的基因治疗方法面临挑战，如毒性、不必要的脱靶效应和有害的免疫反应。与此同时，基因编辑工具，如基于CRISPR的系统，具有较大的尺寸，再加上大多数递送系统的有限货物空间，递送它们可能具有挑战性。鉴于tRNA疗法利用了细胞的天然细胞蛋白制造机制，并且相对较小，它们具有恢复内源性基因调控的潜在优势，而面临的这些挑战较少。然而，技术上的限制阻碍了科学家们在疾病动物模型中对tRNA基因疗法的安全性、效率和疗效进行正式研究。
Wang博士说，“我们的研究是第一个在人类疾病的动物模型中提供证据的正式研究，它证实基于tRNA的疗法可以安全地恢复基因表达。我们发现有可能在体内提供一种tRNA平台，并在患病的动物中具有长期的安全性和有效性。通过在动物体内实现长期的基因表达，抑制性tRNA为建立针对一系列遗传性疾病的基因疗法开辟了一个全新的机会。”
tRNA在细胞内如何制造蛋白方面发挥着关键作用。它们负责以物理方式将各种氨基酸聚集在一起，当它们结合在一起时，形成功能性蛋白。与携带着按正确顺序组装氨基酸以形成蛋白的指令的信使RNA（mRNA）类似，每个tRNA分子将氨基酸在物理上连接到正确的mRNA序列。这些tRNA结合着氨基酸，并将它们携带到细胞中称为核糖体的蛋白制造机器。在每个tRNA的顶端是一个反密码子（anticodon），即一个三核苷酸序列。这个反密码子与mRNA链上的一个互补序列相对应。当核糖体“读取”mRNA时，tRNA负责移动，然后将它携带的氨基酸沿着mRNA序列转移到正确位置。
抑制性tRNA（suppressor tRNA, sup-tRNA）抑制HEK293中的mIdua-W401X突变，图片来自Nature, 2022, doi:10.1038/s41586-022-04533-3。
在每个mRNA指令手册中都有额外的指令---终止密码子，该指令告诉核糖体何时蛋白完全形成，何时停止添加氨基酸。然而，在某些情况下，基因内部的单个核苷酸突变会导致核糖体过早地停止合成蛋白。这些过早终止密码子产生不完整的蛋白，所产生的不完整蛋白可能对细胞是有毒性的，或导致蛋白不再能够执行它们的正常功能---在某些情况下，毒性和功能丧失都会随之而来。
Gao博士解释道，“所有遗传病中约有11%是由导致过早终止密码子的单一核苷酸突变引起的。也许有可能设计一种治疗平台，该平台利用抑制性tRNA疗法来治疗其他因过早停止密码子出现而形成的疾病。这包括某些类型的囊性纤维化和肌肉萎缩症。”
Wang博士和Gao博士及其同事们开发了一种抑制性tRNA，它允许核糖体跳过这些过早终止密码子，使核糖体继续构建完整的功能性蛋白。他们通过重组腺相关病毒（rAAV）将他们的tRNA疗法递送到IDUA基因发生突变的小鼠体内，发现这能够恢复功能性的蛋白水平，并且没有观察到任何副作用。
IDUA基因突变导致溶酶体储存障碍I型粘多糖病。IDUA基因编码一种称为α-L-艾杜糖苷酶（alpha-L-iduronidase）的酶，该酶对于分解称为糖胺聚糖（glycosaminoglycan, GAG）的大糖分子至关重要。缺乏alpha-L-iduronidase酶的活性会导致硫酸乙酰肝素和硫酸皮肤素在溶酶体内积累。科学家们认为，积累的GAG也可能干扰溶酶体内其他蛋白的功能，并破坏细胞内分子的运动。
Wang博士和Gao博士及其同事们选择在I型粘多糖病上测试他们的AAV-NoSTOP，因为这种疾病的生化影响存在于整个身体，可以对多种组织类型进行研究。
尽管tRNA技术已经存在了40多年，但由于无法评估修改tRNA序列的生化影响，将该技术转化为治疗方法的速度一直很慢。Wang博士和Gao博士能够利用新开发的核糖体图谱（ribosome profiling）和tRNA测序技术，对他们的结果进行生化分析，并评估潜在的脱靶效应。
Wang博士说，这些研究结果支持这样的观点，即抑制性tRNA可以恢复正常的蛋白产生。这样的平台将消除递送可能超过AAV载体包装限制的全长基因的需要，并避免CRISPR相关蛋白等基因编辑技术引起的有害免疫反应。
Gao博士说，“当与正在为不同组织开发的基于AAV的基因递送技术相结合时，AAV-NoSTOP平台将成为开发基于基因的治疗方法的一个潜在的有价值的临床补充。”（生物谷 Bioon.com）
参考资料：
1. Jiaming Wang et al. AAV-delivered suppressor tRNA overcomes a nonsense mutation in mice. Nature, 2022, doi:10.1038/s41586-022-04533-3.
2. Research supports development of new suppressor-tRNA-based gene therapieshttps://medicalxpress.com/news/2022-04-suppressor-trna-based-gene-therapies.html
