清華新聞網(wǎng)11月10日電 近日，清華大學(xué)自動(dòng)化系、北京信息科學(xué)與技術(shù)國(guó)家研究中心謝震課題組在一項(xiàng)最新研究中，開(kāi)發(fā)了一種核糖體內(nèi)部進(jìn)入位點(diǎn)（internal ribosome entry site,IRES）的工程改造技術(shù)（programmable miRNA-responsive IRES translation activation and repression,PROMITAR），實(shí)現(xiàn)了僅用單個(gè)環(huán)狀RNA分子即可感應(yīng)多種細(xì)胞內(nèi)源微小RNA（miRNA）信號(hào)，控制IRES元件在特定細(xì)胞中的翻譯活性。
單個(gè)環(huán)狀RNA分子感應(yīng)多種細(xì)胞內(nèi)源微小RNA（miRNA）信號(hào)
RNA是具有巨大潛力的新型藥物形式。與線性mRNA相比，環(huán)狀RNA（circRNA）更穩(wěn)定，在哺乳動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)的持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)。因此circRNA被認(rèn)為是一種很有前景的線性mRNA的替代物。迄今為止，合成生物學(xué)家已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了若干種在線性mRNA和circRNA中調(diào)控基因表達(dá)的策略，但這些方法通常需要引入額外的RNA結(jié)合蛋白并且需要串聯(lián)多個(gè)翻譯抑制元件來(lái)實(shí)現(xiàn)翻譯激活，這無(wú)疑增加了RNA基因線路的復(fù)雜性。因此，開(kāi)發(fā)一種簡(jiǎn)潔高效并且能夠應(yīng)用于circRNA的翻譯調(diào)控方法仍然是合成生物學(xué)領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)。
針對(duì)這一問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)理性設(shè)計(jì)的方式，構(gòu)建了模塊化、可編程的RNA翻譯控制系統(tǒng)（PROMITAR）。該系統(tǒng)包含三個(gè)獨(dú)立可編程的模塊：感應(yīng)miRNA的IRES翻譯激活模塊（miRNA-responsive IRES translation activator，MITA）、感應(yīng)miRNA的IRES翻譯抑制模塊（miRNA-responsive IRES translationrepressor,MITR）和目標(biāo)基因編碼序列。在該設(shè)計(jì)策略中，不同miRNA的存在或缺失會(huì)觸發(fā)MITA或MITR的激活，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)基因的翻譯激活或翻譯抑制。研究人員以丙肝病毒（HCV）的IRES序列為基礎(chǔ)，通過(guò)在IRES上游設(shè)計(jì)含有不同miRBS的特殊二級(jí)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了由單一miRNA輸入、雙重miRNA輸入和三重miRNA輸入的翻譯激活元件。研究團(tuán)隊(duì)還通過(guò)變換不同的miRBS，實(shí)現(xiàn)了二輸入miRNA信號(hào)的邏輯“與”“或”“非”門(mén)。由于該系統(tǒng)具有模塊化、可編程的特點(diǎn)，研究人員只需根據(jù)輸入的miRNA序列和期望實(shí)現(xiàn)的邏輯運(yùn)算功能，在PROMITAR系統(tǒng)的MITA和MITR模塊中設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的miRBS，即可實(shí)現(xiàn)自定義的響應(yīng)多重miRNA輸入的邏輯運(yùn)算功能。
基于該平臺(tái)，研究人員成功構(gòu)建了具有邏輯門(mén)運(yùn)算能力和細(xì)胞分類(lèi)功能的circRNA，并且將GasderminD蛋白的N端序列編碼到circRNA中，實(shí)現(xiàn)了在目標(biāo)肝癌細(xì)胞中選擇性誘導(dǎo)細(xì)胞焦亡。此外，研究人員還驗(yàn)證了這一設(shè)計(jì)策略可以推廣至其他病毒類(lèi)型的IRES序列的工程改造，展示了該平臺(tái)的通用性。該研究成果不僅拓展了RNA翻譯控制的合成生物學(xué)工具箱，為程序化的細(xì)胞功能改造提供了一種創(chuàng)新方法，也為RNA藥物開(kāi)發(fā)提供了新的思路。
研究成果以“在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中理性設(shè)計(jì)響應(yīng)microRNA的可編程翻譯調(diào)控開(kāi)關(guān)”（Rational design of microRNA-responsive switch for programmable translational control in mammalian cells）為題，于11月8日發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications）期刊上。
清華大學(xué)自動(dòng)化系謝震副教授為論文通訊作者，清華大學(xué)自動(dòng)化系2021級(jí)博士生寧輝、北京合生基因科技有限公司劉淦博士為論文共同第一作者，清華大學(xué)自動(dòng)化系李磊博士，北京合生基因科技有限公司劉強(qiáng)、黃慧雅博士參與了研究。
該研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、北京清華工業(yè)開(kāi)發(fā)研究院、清華大學(xué)春風(fēng)基金和北京信息科學(xué)技術(shù)國(guó)家研究中心的資助。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-023-43065-w
供稿：自動(dòng)化系
題圖設(shè)計(jì)：趙存存
編輯：李華山
審核：郭玲
