目前，将mRNA应用于疫苗以外的医药品的研发在全球范围内取得了进展，但mRNA在细胞内不稳定状态则是一大难题。京都大学iPS细胞研究所（CiRA）龟田重贤博士生和齐藤博英教授等人组成的研究团队，通过检测微RNA（miRNA）及RNA结合蛋白，开发出了可以根据细胞种类，控制基因表达的2种环状RNA开关，而且包含该开关的人造环形RNA可以稳定、持续地进行基因诱导。齐藤教授表示：“希望通过组合开关技术及环状RNA技术，实现选择性去除或再生目标细胞的mRNA药品。”上述成果已于1月16日刊登在Nucleic Acids Research上。
齐藤博英教授（左）和龟田重贤博士生（右）（供图：京都大学iPS细胞研究所）
使用了人工mRNA的基因导入技术，由于基因组损伤风险低，导入效率高，并且在理论上可以搭载任何蛋白质，所以不仅是疫苗，还可以应用于基因治疗、基因组编辑医疗等用途。但是，由于mRNA在细胞内不稳定，导致基因表达的持续性低、并且出现在目标细胞与组织之外的基因表达也成为了课题。
研究团队关注到的是环状RNA。龟田博士生表示：“在使用小鼠的基因补充疗法研究中，mRNA被分解，需要多次投放，副作用也很大，避免这些问题是我们开始该研究的初衷。”
一般的RNA会从末端开始分解，但环状RNA的末端是封闭的，因此在生物体内难以分解，基因表达易于持续。然而，迄今为止还没有控制环状RNA蛋白表达的技术。
在生物体内，miRNA会切断拥有互补序列的mRNA，抑制基因表达，并与RNA结合蛋白（RBP）转录的RNA相结合，来控制功能。二者都因细胞种类而异，并与环状RNA和mRNA相互作用。对此，研究团队认为，通过模仿、改变这种相互作用的机制，也许可以控制来自环状RNA的基因表达，并为此设计了环状RNA。
图1 miRNA应答开关的结构及在培养细胞中的基因表达（供图：京都大学iPS细胞研究所）
具体做法如下，首先在编码基因的区域上游，将拥有无Cap结构也能诱导翻译的内部核糖体侵入部位（IRES）的RNA，合成为环状。然后，合成响应细胞内miRNA、控制基因表达的环状RNA，并且仅在特定miRNA存在于细胞内时，才抑制基因表达。还通过在环状RNA的基因表达所必须的IRES序列中，插入识别RBP的序列，从而实现了RBP对基因表达的抑制。也就是说，构筑了两个闭合开关。研究团队还成功构建了结合这两个环形RNA开关的人工基因回路，并成功在miRNA存在的条件下激活了基因表达。
导通回路的输出根据目标miRNA的量而增加，具有比普通mRNA回路更好的基因表达持续性，在本次实验中确认持续性高达92倍。
使用本研究开发的系统，可以在只有目标miRNA的细胞中关闭基因表达，在没有目标miRNA和RBP时可以打开基因表达，甚至在只有目标RBP的细胞中也可以打开基因表达。如果将其应用于医疗，则可以在各种细胞中，选择性去除导致疾病的癌细胞等有害细胞，或只向特定的细胞传送基因，使出现异常的细胞变为正常细胞。
齐藤教授表示：“此次研究，为mRNA的新医药应用开发了基础技术。全球对环状RNA的期待很高，研究开发的竞争逐渐激烈。我们也成立了生物初创企业，今后，包括实用化课题之一的DDS在内，将与不同的公司及大学等合作共同推进研发。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
杂志：Nucleic Acids Research
论文：Synthetic circular RNA switches and circuits that control protein expression in mammalian cells
DOI: 10.1093/nar/gkac1252
