多伦多大学的研究人员开发了一种新一代RNA治疗策略，有望治疗携带同类致病突变的多种遗传性疾病。该团队证实，经化学修饰增强的抑制性转移RNA（suppressor transfer RNAs, sup-tRNAs）联合肺靶向递送系统，可在无义突变导致的囊性纤维化（cystic fibrosis, CF）模型中恢复关键蛋白的表达。
无义突变会在编码蛋白的遗传序列中引入提前终止信号，导致细胞仅能合成极少量甚至无法合成全长功能蛋白，进而破坏关键生理功能，此类疾病的治疗难度极高。
该研究由多伦多大学莱斯利·丹药学院副教授李博文（Bowen Li）博士领衔，研究团队对sup-tRNA进行工程化改造，使其可协助细胞通读无义突变引入信使RNA（mRNA）的提前终止信号，完成原本会被截短或完全缺失的全长蛋白合成。研究人员在支气管上皮细胞、小鼠模型及患者来源的囊性纤维化类器官中验证了该策略的效果，结果显示化学修饰可提升提前终止密码子（premature termination codons, PTCs）的通读效率与tRNA氨酰化水平，延长tRNA的功能活性持续时间，同时降低固有免疫激活效应。此外，该策略可在细胞、动物及患者来源类器官模型中均恢复囊性纤维化跨膜传导调节因子（cystic fibrosis transmembrane conductance regulator, CFTR）的表达与功能。研究还发现该策略可与现有囊性纤维化药物联用，提示联合治疗的应用潜力。
李博文同时是多伦多大学健康网络玛格丽特公主癌症中心的附属科学家，他表示该研究可为一类新型药物奠定基础，这类药物可通过通用治疗策略覆盖多种遗传性疾病：“致病突变种类繁多，许多突变仅影响极少数人群，为每一种突变单独开发基因治疗的难度极高。我们的目标是开发基于tRNA的通用治疗方案，有望针对不同基因、不同疾病中的同类突变提供治疗选择，包括目前几乎无有效治疗手段的罕见病。”
李博文作为该研究的资深作者兼共同通讯作者，与合作团队的相关成果发表于《科学》（Science）期刊，论文题为《化学修饰tRNA的非病毒递送可修复囊性纤维化中的无义突变》，研究结论指出“这些发现为未来tRNA类药物的开发提供了具有广泛适用性的工程化思路”。
无义突变会在mRNA中引入提前终止密码子，导致细胞内蛋白合成提前终止，通常生成无功能的截短蛋白。此类突变约占人类遗传性疾病致病原因的11%，因此开发可恢复全长蛋白表达的治疗策略受到广泛关注。但作者在文中指出：“现有治疗策略仍存在局限：基因编辑方法面临递送效率、免疫原性、脱靶效应等挑战，而药理学通读试剂的疗效有限或毒性较高。”
抑制性tRNA（sup-tRNA）为该领域提供了极具前景的解决方案：通过改造其反密码子识别提前终止密码子，工程化sup-tRNA可在翻译过程中插入对应的氨基酸，使细胞得以恢复全长功能蛋白的翻译。但目前sup-tRNA的临床转化潜力受限于通读效率低、免疫原性、体内递送难度高等问题。
为解决上述问题，研究人员对sup-tRNA进行了化学修饰，并开发了可通过吸入途径递送至肺部的脂质纳米颗粒（lipid nanoparticles, LNPs），验证其是否可修复导致囊性纤维化的CFTR基因无义突变。“跨学科合作是本项目成功的关键”，共同资深作者、文理学院化学系助理教授Haissi Cui博士表示，“我们以自然规律为设计指导，发现添加某一特定修饰可使工程化tRNA的活性更高、作用时间更久。这充分体现了化学与RNA生物学交叉融合的巨大潜力。”
李博文实验室的研究员、本研究共同第一作者陈静安（Jingan Chen）指出，另一项挑战是将tRNA递送至需要发挥作用的靶细胞中。研究团队最终选择了为tRNA递送定制设计的脂质纳米颗粒：“无论tRNA的效力有多强，没有有效的递送系统就无法成为药物。这种针对递送载荷定制的递送系统是本研究的核心进展之一，我们开发了专门适配tRNA的个性化脂质纳米颗粒递送系统。”
近年来，囊性纤维化的治疗已被CFTR调节剂（如Trikafta）彻底改变，但约10%的患者的囊性纤维化由无义突变导致，此类药物对这部分患者无效。囊性纤维化会导致细胞无法转运盐和水分，因此黏液会阻塞气道与肠道。调节剂可修复并激活调控上述转运过程的构象异常CFTR蛋白，但对于完全无法合成CFTR蛋白的患者，调节剂无法发挥作用。
多伦多大学的研究人员尝试验证sup-tRNA是否可解决这一问题：“我们选择囊性纤维化作为疾病模型评估sup-tRNA平台的治疗效力，因为CFTR基因无义突变对应的临床需求尚未被满足”。研究的核心问题不仅是CFTR蛋白是否能重新表达，还包括其是否具备正常功能。研究结果显示，在携带两种常见无义突变的人气道细胞中，CFTR蛋白可恢复表达并发挥正常功能，作用持续时间超过40天。后续的临床前研究也得到了一致的结果。
研究团队成员Jim Hu博士与Tanja Gonska博士均为多伦多大学病童医院的科学家，同时任职于多伦多大学特默蒂医学院，他们提供了携带复杂CFTR基因型的囊性纤维化患者的组织样本，该患者携带4种CFTR突变，其中2种为无义突变，因此对现有药物无应答。研究人员将这些样本培养为微型类器官模型，测试结果显示，单独使用修饰后的sup-tRNA或Trikafta均无明显效果，但二者联用时患者细胞出现应答：tRNA恢复了全长CFTR蛋白的表达，为Trikafta提供了可发挥作用的靶点蛋白。
研究总结中指出：“值得注意的是，在携带复杂基因型的患者来源类器官模型中，经修饰的sup-tRNA与Trikafta联合治疗可实现CFTR的功能挽救。在该场景下，sup-tRNA抑制无义突变恢复全长CFTR的合成，而Trikafta则辅助CFTR的折叠、转运与活性……这一发现展示了极具前景的互补治疗方案，同时凸显了联合治疗对挽救复杂CFTR基因型的重要性。”
研究人员表示，该研究是证明tRNA治疗潜力的重要进展。李博文的实验室正尝试将该策略拓展至其他器官，每个器官都需要对应的专属递送系统。针对肺部的研究中，团队已证实其开发的纳米颗粒可在雾化后保持活性，这是开发可居家使用的吸入式治疗的第一步。
李博文表示：“同类提前终止信号可出现在多种不同的基因中，导致累及肺、脑、肌肉及其他组织的不同疾病。我们的长期目标是开发可识别这些共有终止信号的tRNA药物，使同一种治疗策略有望应用于多种不同的遗传性疾病。”
在同期发表的相关观点文章中，宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院的Jacob W. Myerson博士与德鲁·韦斯曼（Drew Weissman）博士评论称：“陈等人的研究结果为数千名囊性纤维化患者带来了希望。”Myerson与韦斯曼指出，要将该临床前研究中报道的效应转化为可改善囊性纤维化患者呼吸功能的疗法，还需要更多研究，包括明确其副作用特征。他们表示：“可行的治疗方案可能同时包含挽救异常CFTR表达的tRNA与增强正常CFTR功能的药物，这种联合方案可能存在额外的副作用风险。要充分发挥tRNA、联用药物与LNPs的治疗潜力，仍需要对递送载荷与递送载体进行重新设计。”
专业注释
- 无义突变：使编码氨基酸的密码子变为终止密码子的基因突变类型
- 类器官：利用干细胞体外构建的具有对应器官结构功能的微型三维模型
- 脂质纳米颗粒：目前核酸类药物应用最广泛的非病毒递送载体