新型无细胞蛋白质表达平台——eToeholds

eToeholds是一种工程控制元件，可以使RNA疗法更安全，细胞疗法更有效，并实现新形式的生物检测。

RNA最为人所知的分子是将基因编码的信息翻译成蛋白质，并具有无数的活性。然而，由于其结构的复杂性和相对稳定性，RNA作为一种有价值的生物材料也引起了极大的关注，可用于创造新型疗法、合成生物标记物，当然还有我们从新冠肺炎大流行中了解到的强效疫苗。

将合成的RNA分子输送到细胞中，基本上指示细胞产生所需的蛋白质，然后该蛋白质可以执行治疗、诊断和其他功能。研究人员面临的一个关键挑战是只允许引起或受特定疾病影响的细胞表达这种蛋白质，而不允许其他细胞表达这种蛋白质。这种能力可以显著简化体内蛋白质的生产，避免不必要的副作用。

现在，由James J. Collins博士领导的Wyss生物灵感工程研究所和麻省理工学院（MIT）合成生物学家和细胞工程师团队开发了eToeholds——一种内置于RNA中的小型多功能设备，仅当存在细胞特异性或病毒RNA时，才能够表达连接的蛋白质编码序列。eToehold设备为更具针对性的RNA治疗、体外细胞和组织工程方法以及对人类和其他高等生物体中各种生物威胁的感知提供了多种机会。这些发现发表在《Nature Biotechnology》上。

2014年，Collins的团队与Wyss核心教员Peng Yin博士一起，成功开发了细菌的立足点开关，该开关在关闭状态下表达，并通过细菌蛋白质合成机制启动所需蛋白质的合成，对特定触发RNA作出反应。然而，细菌的立足点设计不能用于更复杂的细胞，包括人类细胞，因为它们的结构和蛋白质合成装置更为复杂。

Collins说：“在这项研究中，我们采用IRES[内部核糖体进入位点]这些元件是某些病毒中常见的一种控制元件，利用真核蛋白质翻译机制，从一开始就将它们改造成多功能设备，可以对其进行编程，以检测人类、酵母和植物细胞中的细胞或病原体特异性触发RNA。eToeholds不仅可以在人类、植物和其他高等生物中实现更具体、更安全的RNA治疗和诊断方法，还可以作为基础研究和合成生物学的工具。”

被称为“内部核糖体进入位点”的控制元件，简称IRESs，是病毒RNA中发现的序列，允许宿主细胞合成核糖体的蛋白质进入病毒基因组中编码病毒蛋白质序列旁边的一段。一旦与RNA结合，核糖体开始扫描蛋白质编码序列，同时通过在其生长端依次添加相应的氨基酸来合成蛋白质。

第一作者之一、柯林斯团队博士后研究员Evan Zhao博士说：“我们通过引入相互结合的互补序列，形成抑制性碱基配对结构，从而阻止核糖体与IRES结合，从而推进IRES序列的工程化。”eToeholds中的发夹环编码序列元件设计为与已知触发RNA互补的特定传感器序列重叠。当触发RNA存在并与eToeholds中的补体结合时，发夹环断裂，核糖体可以启动工作并产生蛋白质

Zhao与合作第一作者和Wyss技术开发研究员Angelo Mao博士一起参与了eToehold项目，该项目使他们能够结合各自在合成生物学和细胞工程领域的专业知识，在IRES序列的操作方面开辟新天地。

在一个快速迭代的过程中，他们能够设计和优化在人类和酵母细胞中起作用的eToeholds，以及无细胞蛋白质合成分析。与对照RNA相比，他们在适当的触发RNA存在的情况下，实现了高达16倍的荧光报告基因的诱导，这些荧光报告基因仅与eToeholds相关。

Mao说：“我们设计了能够特异性检测寨卡病毒感染和人类细胞中存在SARS-CoV-2病毒RNA的电子眼，以及由细胞特异性RNA触发的其他电子眼，例如，一种仅在皮肤黑素细胞中表达的RNA。重要的是，eToeholds和编码与其相关的所需蛋白质的序列可以编码在更稳定的DNA分子中，当引入细胞时，这些DNA分子会转化为RNA分子，并根据我们想要的蛋白质表达类型进行定制。这扩大了eToeholds传递到靶细胞的可能性。”

研究人员相信，他们的eToehold平台可以帮助针对特定细胞类型的RNA疗法和某些基因疗法，这一点很重要，因为许多此类疗法受到过多的非靶向毒性的阻碍。此外，它还可以促进体外分化方法，引导干细胞沿着发育途径产生特定的细胞类型，用于细胞治疗和其他应用。干细胞和中间细胞沿着许多分化细胞谱系的转化通常不是很有效，而eToeholds可以帮助丰富所需的细胞类型。

该创新工具可以促进更具体、安全和有效的RNA和细胞疗法的开发，从而对许多患者的生活产生积极影响。

RNA-responsive elements for eukaryotic translational control