多尾修饰显著增强mRNA翻译活性和寿命：长效高活性有望用于更多治疗和CRISPR用途

mRNA作为一种信息分子，功能是由序列编码决定的，而稳定性是由主链的化学性质决定的。这使化学家能够广泛地设计mRNA结构，而不必担心改变其携带的信息。”多尾结构使mRNA活性提高5-20倍，持续时间提高2-3倍，使其有望用于更多治疗用途

　　

mRNA，一种指导人体产生蛋白质的基因序列，因为在几种COVID-19疫苗中发挥了重要作用而迅速成为公众关注的焦点，也成为一种新的药物开发重点。然而，要使mRNA具有广泛的治疗用途，这些分子需要比构成COVID疫苗的分子在体内持续更长时间。来自麻省理工学院布罗德研究所、哈佛大学和麻省理工学院的研究人员通过在分子中添加多个“尾巴”来设计一种新的mRNA结构，这种多尾结构使得细胞中的mRNA活性水平提高了5到20倍。研究还表明，与未经修饰的mRNA相比，他们的多尾mRNA在动物体内的持续时间长2到3倍，并且当将其纳入CRISPR基因编辑系统时，在小鼠体内的基因编辑效率更高。发表在《Nature Biotechnology》杂志上的新型mRNA有望用于治疗那些需要长期治疗的疾病——比如需要编辑基因或替换有缺陷的蛋白质。

COVID疫苗中的mRNA非常有效，因为只需要的很少——一旦注射到体内，它就会产生与COVID病毒部分相似的蛋白质。麻省理工学院化学系的研究生Hongyu Chen说:“免疫系统非常强大，因此它能够产生许多抗体来响应外来蛋白质的短暂表达。”但是，要使mRNA产生足够的蛋白质来治疗扰乱基本蛋白质正常产生的疾病，需要更大的剂量，这可能会导致毒副作用。

Broad研究所核心成员、麻省理工学院化学助理教授Xiao Wang的实验室专门研究RNA从合成到最终降解和在细胞中处理的过程。Wang, Chen和他们的团队想要承担复杂的挑战，设计一种稳定、活跃的mRNA结构，并在低剂量下产生持续的治疗效果。基于先前的研究，Wang和Chen知道mRNA结构中的poly(A) tail在保护mRNA免受细胞内降解方面起着重要作用。在2022年，他们展示了化学修饰poly(A)尾巴可以减缓mRNA的自然降解，使其在更广泛的治疗中更有用。他们将这些修饰过的分子命名为“mRNA-oligo偶联物”或mocRNAs。在这项工作的基础上，Wang和Chen设想如果设计一个更复杂的、包含多个修饰的poly(A)尾巴，将进一步增强mRNA的治疗效果。在他们最新的研究中，研究小组制备了多尾mRNA（multi-tailed），并在人体细胞中进行了测试，发现它们比天然mRNA和mocRNA持续翻译的时间要长得多，单次剂量产生的蛋白质多20倍。在小鼠实验中，研究人员发现，只需单剂多尾mRNA就能产生长达14天的蛋白质，这几乎是以前mRNA技术所证明的寿命的两倍。他们还使用多尾mRNA编码DNA切割Cas9蛋白，作为CRISPR-Cas9基因编辑系统的一部分，并在小鼠身上进行了测试，用于编辑与高胆固醇、Pcsk9和Angptl3相关的基因。与用对照Cas9 mRNA治疗的动物相比，单剂量的多尾Cas9 mRNA可以诱导更高水平的基因编辑，导致血液中胆固醇循环减少。

Wang和Chen现在专注于使他们的多尾mRNA合成和纯化过程更具可扩展性。他们还在进一步研究mRNA修饰如何影响其治疗稳定性和活性之间的相互作用。

论文资深作者、Broad研究所核心成员、麻省理工学院化学助理教授Xiao Wang说：“mRNA在COVID疫苗中的应用非常棒，这促使我们探索如何扩大mRNA的可能治疗应用。我们已经证明，非自然结构比自然结构的功能要好得多。这项研究给了我们很大的信心，我们有能力在化学和拓扑结构上修饰mRNA分子。”

论文的第一作者、麻省理工学院化学系的研究生Hongyu Chen说：“我最兴奋的是，这种新形状的mRNA能被细胞翻译机制很好地耐受，”“这为合成修饰mRNA以扩展其治疗用途开辟了许多新的机会。”“我发现mRNA非常吸引人，因为作为一种信息分子，它的功能是由它的序列编码的，而它的稳定性是由它的主链的化学性质决定的。”“这一特性使化学家能够广泛地设计mRNA结构，而不必担心改变其携带的信息。”“我们想看看我们还能在哪里设计mRNA的结构来提高效率，”Chen补充说，他们也对提高细胞扫描和翻译mRNA指令的速度感兴趣。

文章摘要：分支化学修饰的聚(A)尾增强了mRNA的翻译能力
虽然信使RNA (mRNA)已被证明是有效的疫苗，但其作为一般治疗方式的潜力受到其不稳定性和低翻译能力的限制。为了增加mRNA蛋白表达的持续时间和水平，我们设计并合成了具有多个合成聚(A)尾部的拓扑和化学修饰的mRNA。本研究表明，优化后的多尾mRNA在细胞转染后24 - 72小时的发光信号是对照mRNA的4.7 - 19.5倍，在体内转染后14天仍可检测信号，相比对照mRNA仅 <7天的可检测信号。我们进一步在小鼠肝脏中以最小mRNA剂量实现了临床相关基因Pcsk9和Angptl3的高效多路基因组编辑。综上所述，这些结果提供了一种可推广的方法来合成具有显著增强翻译能力的带帽分支mRNA。