《Molecular Aspects of Medicine》：The potential use of anti-codon engineered tRNAs (ACE-tRNAs) to treat nonsense variants causing inherited retinal diseases
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遗传性视网膜疾病（IRDs）由350多个基因的无义突变（PTC）导致，占致病变体的18%，目前尚无有效疗法。抗密码子工程tRNA（ACE-tRNA）通过校正终止密码子恢复蛋白质合成，在动物模型中展现潜力，但存在低效、毒性及递送挑战。优化ACE-tRNA结构、联合NMD抑制剂及改进递送技术（如纳米载体）是提升疗效的关键。目前疗法仍面临表达可控性和眼部靶向递送难题。
作者：Asodu Sandeep Sarma 和 Dror Sharon
以色列耶路撒冷希伯来大学医学院哈达萨医疗中心眼科部门
摘要
遗传性视网膜疾病（IRDs）是一类在临床和遗传学上都非常复杂的疾病，全球约有1/3450的人因此失明。目前已发现超过350个与IRDs相关的基因，这些基因表现出所有可能的遗传模式。尽管几种基因疗法已经取得进展，但绝大多数IRDs目前仍无有效的治疗方法。通过将一个有意义的密码子转化为无义密码子（PTC），早终止密码子变异会导致蛋白质合成突然停止，从而在大多数情况下丧失蛋白质功能。无义变异占所有导致IRDs的变异的约18%，但目前尚无有效的治疗方法来纠正这些变异。近年来，经过工程改造的反密码子tRNA（ACE-tRNAs）或抑制性tRNA已成为治疗由无义变异引起的罕见疾病的潜在选择。本文综述了IRDs遗传学中的无义变异谱系，并探讨了ACE-tRNA疗法的治疗前景。我们重点介绍了该疗法的作用机制、当前的研究进展以及其在治疗由无义变异引起的IRDs方面的具体优势和局限性。
章节摘录
遗传性视网膜疾病（IRDs）的临床和遗传学特征
遗传性视网膜疾病（IRDs）是一组在临床上复杂且遗传上异质性的视力障碍疾病，其发病率和严重程度各不相同（Chen等人，2021年；Georgiou等人，2021年；Lam等人，2021年）。全球IRDs的患病率约为1/3449，预计有超过550万人受到影响（Hanany等人，2024年）。至少有350个核基因和线粒体基因的致病变异参与了这些疾病的发病机制（Ashworth等人）
当前IRDs疗法的局限性
视网膜具有免疫特权（由于存在血视网膜屏障），易于接触（可以通过视网膜下和玻璃体内注射或眼药水给药），并且可以通过非侵入性方法进行观察。基于这些特点，视网膜成为测试不同治疗方式的理想靶点（Zhou和Caspi，2010年）。在过去20年中，视网膜被广泛用于测试各种治疗干预措施，如基因增强疗法
IRDs与PTC变异
遗传密码使用64个三字母核苷酸密码子，其中61个用于指定构建蛋白质的氨基酸，另外3个（UAA、UAG、UGA）是终止蛋白质合成的信号。无义变异通常由SNVs引起，这些SNVs将有意义的密码子转化为三种无义密码子之一，例如CGA（Arg）TGA（终止）。总共61个有意义的密码子中有18个可以转化为无义密码子。PTC的致病性通过两种关键机制发挥作用
反密码子工程改造的（ACE）tRNA
转运RNA（tRNA）是一种在蛋白质合成过程中作为mRNA和生长中的多肽链之间中介的短RNA分子。人类基因组编码约600个tRNA基因，其中400个在某些细胞或组织中活跃并表达。一些tRNA始终表达，被认为是管家基因，而另一些则在干细胞或特定发育阶段表达受限（Thornlow等人，2020年）。
反密码子工程改造的（ACE）tRNA（sup-tRNAs）
ACE-tRNA读取效率的关键分子和细胞决定因素
使用ACE-tRNA有效读取PTC依赖于多种关键的分子和细胞因素。主要决定因素是无义密码子本身的性质；与天然无义密码子相比，PTC通常更容易被读取，但它们之间存在显著差异。UGA具有最高的固有读取率，而UAG和UAA则更难被抑制，因此实现最佳读取效果特别具有挑战性
ACE-tRNA的优化
尽管ACE-tRNA具有巨大的治疗潜力，但由于效率低下，它们尚未进入临床应用。最初的ACE-tRNA仅对反密码子进行了修饰或突变，读取效果非常有限，需要使用较高剂量和多个拷贝（Blomquist等人，2023年；Ko等人，2022年；Pezzini等人，2024年）。为了提高其治疗效果，近年来人们一直在努力通过修改其结构来优化它们将ACE-tRNA与其他促进读取的因子和NMD抑制剂结合使用
ACE-tRNA在纠正致病性无义变异方面显示出潜力，但某些测试过的变异对ACE-tRNA的读取效果具有抗性（Bharti等人，2024年）。这种读取效率低下可能归因于第5节中提到的多种因素。提高这类变异读取效果的一种策略是开发更有效的ACE-tRNA（Porter等人，2024年）。此外，还可以将ACE-tRNA与其他促进读取的因子结合使用
将ACE-tRNA输送到视网膜的方法
眼部基因治疗中最重要的挑战之一是将治疗分子有效输送到视网膜。视网膜独特的解剖结构（包括复杂的细胞结构、密集的血管网络和血视网膜屏障）严重阻碍了药物或基因的输送（Drag等人，2023年）。因此，已经开发出多种新方法来克服这些障碍，以实现DNA/RNA向视网膜的转移
ACE-tRNA的局限性
与其他分子疗法类似，ACE-tRNA也存在自身的缺点或局限性（Porter等人，2021年的综述）。由于过度表达导致的毒性是ACE-tRNA的主要限制之一，因为这可能导致天然无义密码子的读取，从而产生具有延长C末端的毒性蛋白质（Hetz，2012年）。另一个限制是ACE-tRNA可能抑制内源性NMD靶点中的PTC
结论
总之，ACE-tRNA疗法为治疗IRDs中的无义变异提供了一种有前景的方法。这种创新策略有望在PTC位点恢复全长蛋白质的生成，并使用正确的氨基酸，为目前治疗选择有限的患者带来新的希望。虽然动物模型和细胞系的数据表明ACE-tRNA疗法的有效性，但还需要进一步的研究来克服现有挑战，包括优化输送方法
作者贡献声明
Asodu Sandeep Sarma：撰写初稿、进行正式分析、数据整理、概念构思。
Dror Sharon：撰写、审稿和编辑、监督、资金获取、概念构思。关于写作中使用的生成式AI和AI辅助技术的声明
在准备本工作时，作者使用了Grammarly等AI工具来改进语法和拼写。使用这些工具后，作者根据需要对内容进行了审查和编辑，并对发表文章的内容负全责。
资助
本项工作得到了modernaTX研究基金的支持。
