Teknik kan gøre det lettere at bruge mRNA til at behandle sygdom eller levere vacciner

Ved at levere dele af genetisk materiale kendt som messenger RNA (mRNA) til celler, forskere kan få cellerne til at producere ethvert protein, der kodes af mRNA. Denne teknik har et stort potentiale til administration af vacciner eller behandling af sygdomme som kræft, men at opnå effektiv levering af mRNA har vist sig at være udfordrende.

Nu, et team af MIT -kemiingeniører, inspireret af den måde, cellerne oversætter deres eget mRNA til proteiner, har designet et syntetisk leveringssystem, der er fire gange mere effektivt end at levere mRNA alene.

"Hvis vi vil være i stand til at levere mRNA, så har vi brug for en mekanisme til at være mere effektiv til det, fordi alt, hvad der har været brugt indtil nu, giver dig en meget lille brøkdel af, hvad der ville være den optimale effektivitet, "siger Paula Hammond, en David H. Koch professor i teknik, leder af MIT's afdeling for kemiteknik, og medlem af MIT's Koch Institute for Integrative Cancer Research.

Hammond er seniorforfatter af papiret, som vises i Angewandte Chemie . Papirets hovedforfattere er postdoc Jiahe Li og kandidatstuderende Yanpu He. Andre medforfattere i avisen er Wade Wang, Connie Wu, og Celestine Hong fra Hammond -laboratoriet.

Protein maskiner

Messenger RNA bærer genetiske instruktioner fra DNA, som ikke kan forlade cellekernen, til cellens ribosomer, som samler proteiner baseret på mRNA -sekvensen. Messenger RNA appellerer som et potentielt middel til at behandle sygdom eller levere vacciner, fordi efter at en mRNA -streng er oversat til det ønskede protein, det nedbryder til sidst.

"Det ændrer ikke den genetiske kode, "Hammond siger." Der er ingen chance for, at inkorporering af et gen kan ske, så sikkerhedsfaktoren er meget højere. "

For at denne tilgang fungerer, mRNA skal komme effektivt ind i cellerne, og en gang der, det skal nå ribosomerne for at blive oversat til protein. I en tidligere undersøgelse, MIT -forskerne fandt ud af, at de kunne forbedre mRNA -oversættelseshastigheden ved at vedhæfte et proteindæksel til den ene ende af mRNA -strengen. Denne hætte hjælper mRNA med at danne et kompleks, der er nødvendigt for at starte oversættelse.

I den nye undersøgelse, forskerne fokuserede på den anden ende af mRNA -molekylet. Naturligt forekommende mRNA har normalt en lang "poly-A hale, "består af en lang række adenosin -gentagelser, der stabiliserer molekylet og hjælper det med at modstå nedbrydning af enzymer i cellen.

MIT-teamet besluttede at vedhæfte et protein kaldet et poly-A-bindende protein til denne hale. Dette protein, som findes naturligt i celler, hjælper mRNA med at binde til ribosomer og begynde oversættelsesprocessen.

Forskerne dækkede derefter dette kompleks med en type polymer kendt som et polypeptid, som er en sekvens af modificerede aminosyrer spændt sammen i en kæde. Dette polypeptid fungerer som et stillads til at holde poly-A-bindingsproteinet og mRNA i tæt kontakt, og det hjælper med at neutralisere det negativt ladede mRNA. Uden den neutralisering, mRNA ville ikke være i stand til at passere gennem cellemembraner, som også er negativt ladet.

Når det polymerovertrukne mRNA kommer ind i en celle, poly-A-bindingsproteinet beskytter det mod at blive nedbrudt og hjælper det med at koble sig til ribosomer. MRNA danner en lukket sløjfe, så et ribosom kan cykle igennem det mange gange, producerer mange kopier af målproteinet. På denne måde, effekten af ​​mRNA, som er en meget dyr genetisk terapeutisk kan forbedres betydeligt ved kombination med meget billigere syntetiske polypeptider og proteiner.

"Den konventionelle tilgang er bare at levere mRNA ind i cellerne, "Siger Li." Men når først mRNA kommer ind i cellerne, kan det blive nedbrudt, så vi danner et kompleks, som er afgørende for initiering af mRNA -translation. "

MIT -metoden hjælper også med at overvinde en anden udfordring ved at levere mRNA, hvilket er, at molekylerne er meget store, siger Peixuan Guo, professor i farmaceutik og medicinleveringssystemer ved Ohio State University.

"Fundene fra Paula Hammonds gruppe i dette papir viser, at mRNA effektivt kan leveres ved brug af poly-A-bindende proteiner, "siger Guo, som ikke var involveret i forskningen. "Denne teknologi viser en stor stigning i leveret nyttelast og vil bane en ny måde til mRNA -levering."

Højere proteinudtryk

Forskerne testede dette system ved at levere mRNA, der koder for genet for luciferase, et glødende protein, ind i lungerne på mus. De fandt ud af, at med denne type levering, celler producerede fire gange så meget protein, som de gjorde, da kun mRNA blev pakket med det samme polypeptid til levering.

En grund til at dette system er mere effektivt, mener forskerne, er, at det eliminerer behovet for mRNA for at finde poly-A-bindende proteiner i det overfyldte cytoplasma-miljø, efter at mRNA kommer ind i cellen.

"Vi indså, at celler sandsynligvis kun får nok af dette poly-A-bindende protein til at oversætte deres eget mRNA, "Siger han." Når du har leveret overskydende mRNA, cellen har ikke nok af dette hjælperprotein til at oversætte det. Vi indså, at vi er nødt til at give det mere hjælperprotein, saml det på forhånd med vores polypeptider for at efterligne strukturen af ​​proteinsyntese, lever derefter denne bioinspirerede samling sammen i cellen. "

I dette studie, mRNA -partiklerne akkumuleres i lungerne på grund af polypeptidets positive ladning, som tillod partiklerne at fæstne sig til røde blodlegemer og få en tur til lungerne. Imidlertid, forskerne planlægger nu at undersøge ændring af partiklerne med polymerer, der leder dem til andre steder i kroppen, herunder tumorer.

De arbejder også på at forbedre stabiliteten af ​​polypeptidmolekylerne yderligere ved at tilføje en hydrofob hale til den ene ende, og ved at vedhæfte en polymer kaldet PEG. Begge disse ændringer skal hjælpe molekylerne med at cirkulere længere i kroppen, giver dem mulighed for at nå deres tiltænkte destinationer.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.