三氧核糖核酸修饰的三核苷酸帽类似物的合成、整合及翻译特性

《ACS Omega》：Synthesis, Incorporation, and Translation Properties of Threose Nucleic Acid Modified Trinucleotide Cap Analogs

mRNA 5'帽修饰通过引入TNA结构可显著提升翻译效率并保持生物稳定性，同时不引起明显炎症因子释放。研究发现TNA修饰在首核苷酸位置时能增强翻译活性，而在m7G位置则可能影响eIF4E结合。经分子动力学模拟证实，TNA修饰的帽结构在eIF4E结合 pocket中具有良好适应性。该修饰技术已成功应用于SpCas9基因编辑系统的mRNA设计，为下一代疫苗和基因治疗提供了高效稳定的递送方案。

　　近年来，mRNA技术在生物医学领域取得了显著进展，特别是在疫苗开发和基因编辑治疗方面。为了进一步提升mRNA的翻译效率和稳定性，研究者们不断探索新的化学修饰方法。其中，5′端的mRNA帽结构被认为是影响mRNA功能的关键因素，因为它不仅参与RNA的稳定性，还与翻译起始过程密切相关。基于这一背景，科学家们对α-?-硫代核苷酸（TNA）进行了深入研究，试图将其引入mRNA帽结构，以评估其对mRNA性能的影响。

TNA是一种合成的遗传物质，其结构与RNA类似，但采用的是四碳糖（threose）而非RNA中的五碳糖（ribose）。这种结构上的差异赋予了TNA独特的化学性质，如更高的核酸酶和血清稳定性，以及与DNA和RNA的互补配对能力。这些特性使得TNA在合成生物学和分子工具开发中具有广泛应用潜力。此外，TNA的结构也使其成为研究RNA进化前体的候选分子。鉴于TNA在多种核酸应用中的优势，以及5′端帽结构修饰对mRNA治疗效果的重要性，研究团队探索了TNA在mRNA帽结构中的应用。

本研究中，研究人员合成并评估了两种新的TNA修饰的mRNA帽类比物，并通过T7 RNA聚合酶进行共转录修饰。结果表明，这些TNA修饰的帽结构能够与标准的Cap 1结构（即m7G-AOMeG）在全长度完整性、产量和帽形成效率方面保持一致。进一步的实验显示，含有TNA修饰的帽结构的mRNA能够在细胞裂解物和培养细胞中支持有效的翻译过程。然而，当TNA修饰位于倒置的m7G位置时，其翻译效率较标准Cap 1结构有所下降，这可能与翻译机制的不兼容有关。相比之下，当TNA修饰位于第一个转录核苷酸时，其翻译效率得到了显著提升，表明该位置的修饰对mRNA的翻译起始具有积极影响。

在生物化学层面，研究人员通过体外实验评估了TNA修饰对mRNA帽结构的影响。结果显示，TNA修饰的帽结构在抵抗解帽酶（如Dcp2）方面表现优异，从而提高了mRNA的稳定性。此外，这些帽结构在与eIF4E的结合过程中并未显著增加炎症反应，如IL-6的释放。这些发现表明，TNA修饰的帽结构在保持mRNA功能的同时，具有良好的化学耐受性，不会引发不必要的免疫反应。

进一步的分子建模模拟揭示了TNA修饰的帽结构能够很好地适应eIF4E的结合口袋。尽管TNA的结构导致了三磷酸桥的轻微变化，但其与eIF4E的结合能并未发生显著变化。这表明，TNA修饰可能不会显著影响eIF4E的结合能力，但可能通过其他机制，如翻译起始因子的动态结合或核糖体的招募，影响翻译效率。为了进一步验证这一假设，研究团队正在开展更详细的结合实验，以评估TNA修饰对eIF4E结合动力学的具体影响。

此外，研究人员还评估了TNA修饰的帽结构在基因编辑系统中的应用潜力。通过将含有TNA修饰的SpCas9 mRNA与靶向小鼠转甲状腺素蛋白（mTtr）的sgRNA共同转染至AML12细胞中，他们发现该系统能够高效地实现基因编辑。尽管TNA修饰在翻译效率上有所提升，但其对编辑效率的影响似乎受到其他因素的制约，如Cas9蛋白的核定位和蛋白质折叠状态。因此，翻译效率的提高并不一定直接转化为更高的编辑效率，这提示在优化mRNA治疗效果时，需要综合考虑多种因素。

这些研究结果为mRNA治疗领域提供了新的工具，尤其是在帽结构修饰方面。TNA的引入不仅提升了mRNA的稳定性，还增强了其在不同细胞系统中的翻译能力。这些特性使其成为下一代mRNA疗法的潜在候选者。此外，TNA修饰的帽结构能够通过已有的磷酸酰胺试剂化学方法进行大规模合成，这为未来临床应用奠定了基础。

本研究的意义在于，它不仅拓展了修饰帽结构的多样性，还深化了对帽结构中特定位置化学修饰耐受性的理解。通过引入TNA，研究人员展示了其在提升mRNA性能方面的潜力，同时也揭示了帽结构修饰对mRNA功能的复杂影响。这些发现为未来的mRNA设计和优化提供了新的思路，有助于开发更高效、更安全的RNA治疗策略。