作为一项革命性的技术，mRNA（信使 RNA，messenger RNA） 正在从传染病、癌症再到多种罕见病等多种疾病中展现潜在治疗价值。
不过，mRNA 在成药性上仍然受到多因素制约，比方说 mRNA 分子不稳定、易降解、半衰期短。通常需要进行加帽、加尾、对 mRNA 天然碱基进行修饰和替换等多种方法修饰。
提高 mRNA 在体内的稳定性对于 mRNA 药物拓展治疗范围至关重要。近日，来自 MIT 和哈佛大学博德研究所的研究人员设计了一种能够更持续表达蛋白的新型 mRNA 结构—— 多尾巴 mRNA（multi-tailed mRNA），即通过在分子中添加多个合成的 Poly(A) “尾巴”。这种新型 mRNA 可将细胞中的 mRNA 活性水平提高约 5 倍至 20 倍，有潜力用于治疗需编辑基因或替换缺陷蛋白质的难治性疾病。
（来源：Nature Biotechnology）
研究还表明，与未修饰的 mRNA 相比，这种多尾巴 mRNA 分子在动物体内的持续时间延长了 2 倍至 3 倍。当新型 mRNA 分子编码 CRISPR 基因编辑系统时，研究团队以最低的 mRNA 注射剂量在小鼠体内实现了更高效的多重基因组编辑。
本文的第一作者是 MIT 博士生陈泓宇，通讯作者为 MIT 化学系的助理教授、博德研究所核心成员王潇，博德研究所核心研究员、哈佛大学化学与化学生物系教授刘如谦也是该研究的作者。王潇于 2019 年成立独立实验室，其实验室的一个重点研究方向是开发和应用化学、生物物理和基因组工具研究 RNA 以及基于这些理解提出新策略开发下一代 RNA 药物。
▲图 | 王潇（来源：MIT 官网）
“mRNA 在新冠疫苗中的表现非常好，这促使我们继续探索如何扩大 mRNA 潜在的治疗应用。现在，我们已经证明，非自然结构的功能比自然结构要更好，这项研究让我们对化学和拓扑修饰 mRNA 分子的能力充满信心。”王潇在博德研究所的官方新闻稿中说道。
MIT 团队提出多尾巴 mRNA，可在小鼠体内持续表达 14 天
mRNA 是指导合成蛋白质的模板，也是将遗传信息从 DNA 传递到蛋白质的信使。mRNA 疫苗已被证明在产生少量抗原的瞬时表达方面表现亮眼，但是应用于酶替代、抗体治疗和基因编辑等应用的 mRNA 治疗需要持续高水平生产蛋白质。
由于传统的 mRNA 药物存在不稳定和低表达效率的问题，这就需要高剂量注射，既会增加治疗成本，也可能导致细胞毒性。为了应对这些挑战，有必要提高 mRNA 翻译的持续时间和蛋白质表达量。
领域内已经针对 mRNA 的修饰作出了很多尝试，比方说用一种假尿嘧啶核苷 m1ψ 替代尿嘧啶降低免疫毒性，优化非翻译区的密码子和序列增加蛋白质表达，还有利用环状 RNA（circRNA）扩大 mRNA 药代学窗口，抵抗外切酶切割。但是，实际中这些方法或多或少仍然存在局限性，需要更高效的策略克服这些挑战。
在此背景下，王潇团队通过对 mRNA 从合成到在细胞中降解和处理整个过程的分析，设计了一种稳定、活跃并在低剂量下可产生持续治疗效果的 mRNA 结构。这是一种带有经化学修饰、带帽、呈枝状的 Poly(A) 尾巴的 mRNA 寡核苷酸偶联物，研究团队将其称之为多尾巴 mRNA（multitail）。
一作陈泓宇指出，mRNA 作为一种信息分子，它的功能是由其序列编码的。而它的稳定性则取决于其主链的化学性质，这一特性使化学家能够广泛工程化设计 mRNA 结构，同时无需担心改变其携带的信息。
mRNA 结构中的 poly(A) 尾巴在保护 mRNA 免于细胞内降解方面发挥着重要作用。大量研究已经表明，3'端 Poly(A) 尾巴结构是对 mRNA 稳定性最重要的结构之一，仅次于 5' 端 Cap 结构。2022 年，该团队也证明了，对 Poly(A) 尾巴进行修饰可以减缓 mRNA 的降解率，同时增加了细胞中治疗蛋白的表达，可适用于更广泛的治疗中。
（来源：MIT 官网）
这是一种基于 mRNA 的表达系统，称之为信使寡核苷酸偶联 RNA（mocRNA），将合成寡核苷酸 (oligo) 与包含模板编码的 Poly (A) 尾巴的 mRNA 的 3' 末端连接起来，这种策略能够将化学修饰精确且模块化地编码到 RNA 载体中。
这次的多尾巴 mRNA 就建立在此前研究的基础之上，研究团队这次设计一种更复杂的 mRNA 形状，包含多个经过修饰的 Poly(A) 尾巴，希望能够进一步增强 mRNA 的治疗效果。他们在人细胞和小鼠体内系统评估了不同化学和拓扑模式 Poly(A) 尾巴对 mRNA 翻译能力的影响及其作用机制。
▲图 | 携带多个 Poly(A) 尾巴的嵌合 mRNA（来源：上述论文）
在人类细胞中，这种 mRNA 翻译持续时间比天然的 mRNA 和 mocRNA 要长得多。随着时间的推移，相对之下，每剂量多尾巴 mRNA 产生多达 20 倍的蛋白质；在小鼠实验中，研究人员发现，只需一剂多尾巴 mRNA 就能持续长达 14 天生产蛋白质，这是此前 mRNA 技术持续时间的两倍。
研究团队还使用多尾巴 mRNA 编码 CRISPR/Cas9 基因编辑系统的核酸酶 Cas9 蛋白，用该系统编辑与高胆固醇相关的基因 Pcsk9 和 Angptl3，并在小鼠中进行了测试。试验结果显示，与接受对照 Cas9 mRNA 治疗的动物相比，仅单剂量的多尾巴 Cas9 mRNA 就可以诱导更高水平的基因编辑，从而减少血液中循环的胆固醇。这一结果表明，多尾巴 mRNA 可在最小剂量下提高 CRISPR 编辑系统的编辑效率。
一种更通用的方法，为治疗更多疾病提供了新机会
“最令我兴奋的是，这种新形状的 mRNA 能够很好被细胞翻译机制所耐受，这为合成修饰 mRNA 扩展其治疗用途开辟了更多新的机会。”陈泓宇说。
根据论文中的描述，这种合成的多尾巴 mRNA 翻译蛋白质的能力显著提高，试验结果证明了这是一种更通用的方法。“我们的研究结果揭示了以前未探索的化学空间，有助于设计和开发下一代 mRNA 治疗药物，其不仅具有更强的稳定性，而且还改进了翻译性、特异性、递送和药代动力学。”
现阶段，该团队专注于使其设计的多尾巴 mRNA 的合成和纯化过程更具可扩展性。他们还在仔细研究 mRNA 修饰如何影响其治疗稳定性和活性之间的相互作用。
陈泓宇表示，“我们想看看还能如何改造 mRNA 的结构以此提高效率，还会尝试探索能够提高细胞翻译 mRNA 指令速度的修饰方法。”
（来源：MIT TR）
论文中还提到，王潇、陈泓宇、Abhishek Aditham 和 Jianting Guo 是这种新型多尾巴 mRNA 结构相关专利的发明人。
王潇也是生物技术公司 Stellaromics 和 Convergence Therapeutics 的科学创始人和顾问，前者是一家专注于原位空间多组学技术的生物技术初创公司；后者是一家靶向放射治疗公司，2023 年 5 月筹集了 9000 万美元用于开发肿瘤学领域的下一代放射性药物。
在多尾巴 mRNA 结构更加完善之后，推测该团队很可能也会推进这些相关技术的转化工作。
素材来源官方媒体/网络新闻
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