Das Hirohide Saito Laboratory hat zyklische RNA-Schalter entwickelt, die mithilfe von miRNAs und RNA-bindenden Proteinen die Genexpression zelltypspezifisch steuern können, und durch deren Kombination erfolgreich einen künstlichen Genkreislauf aufgebaut.
Die Gentransfertechnologie unter Verwendung synthetischer mRNA hat die Vorteile eines geringen Risikos einer Genomschädigung und einer hohen Transfereffizienz im Vergleich zu DNA und hat daher eine breite Palette potenzieller Anwendungen, einschließlich Impfstoffe, Gentherapie und Genombearbeitung. RNA ist jedoch in der Zelle instabil, was es schwierig macht, die Genexpression aufrechtzuerhalten, was eine Herausforderung für die Anwendung darstellt.
Da sie in den Zellen nicht leicht abgebaut werden, sind zyklische RNAs stabiler als lineare mRNAs und erregen daher Aufmerksamkeit als neue synthetische mRNA, die die RNA-Persistenz verbessert. Die spezifische Einführung von mRNA in Zielzellen war jedoch schwierig, und eine unbeabsichtigte Proteinexpression in Nicht-Zielzellen kann zu einer verringerten therapeutischen Wirksamkeit und Nebenwirkungen bei medizinischen Anwendungen von mRNA führen. Daher ist es notwendig, eine Technologie zu entwickeln, um die Proteinexpression (Genexpression) von zyklischer RNA zu kontrollieren, aber dies wurde noch nicht realisiert.
Das Saito-Labor begann mit der Entwicklung einer RNA-Switch-Technologie, die die Genexpression zyklischer RNAs je nach Zelltyp steuern kann.
Es ist bekannt, dass miRNAs den mRNA-Abbau induzieren und die Proteinsynthese unterdrücken, indem sie an mRNAs mit perfekt komplementären RNA-Sequenzen in Zellen binden. Die Forschungsgruppe synthetisierte zyklische RNAs, die auf endogene miRNAs reagieren sollen, um die Genexpression zu regulieren. Als die synthetisierten miRNA-responsiven zyklischen RNAs in kultivierte Zellen mit einem miRNA-Inhibitor eingeführt wurden, wurde die Genexpression bestätigt, aber die Genexpression wurde ohne miRNA-Inhibitoren unterdrückt. Dieses Ergebnis legt nahe, dass die endogenen miRNAs an die manipulierten zyklischen RNAs binden und deren Genexpression unterdrückten.
Auf die gleiche Weise versuchten sie, zyklische RNAs zu synthetisieren, bei denen Protein-bindende Motive in die interne Ribosomen-Eintrittsstelle (IRES) eingefügt wurden, was eine Translation ohne 5′-Cap-Struktur ermöglicht, und die Genexpression folglich durch die RNA-bindenden Proteine reguliert wurde . Als Ergebnis gelang es ihnen, die zyklische RNA zu konstruieren, die die Genexpression in Abhängigkeit von RNA-bindenden Proteinen regulieren kann, ohne die IRES-Funktion zu beeinträchtigen.
Schließlich entwickelten sie einen künstlichen Genschaltkreis, indem sie die beiden Arten von zyklischen RNA-Schaltern kombinierten, und überprüften, ob er in den Zellen funktioniert. Als Ergebnis zeigten die Forscher, dass spezifische miRNAs die Genexpression von zyklischen RNAs induzieren können. Die Gruppe bestätigte auch, dass die Genexpression im Vergleich zu dem künstlichen Genkreislauf, der aus linearen mRNAs vom Normaltyp besteht, über einen längeren Zeitraum aufrechterhalten wurde.
Es wird erwartet, dass die neu entwickelten Technologien für zyklische RNA-Schalter und künstliche Genschaltkreise das Anwendungsspektrum der mRNA-Medizin erweitern und zur Lösung von Problemen für die Praxis beitragen werden.
Die Ergebnisse dieser Recherche wurden online in veröffentlicht Nukleinsäureforschung am 16. Januar 2023.
Mehr Informationen:
Shigetoshi Kameda et al, Synthetische zirkuläre RNA-Schalter und -Schaltkreise, die die Proteinexpression in Säugetierzellen steuern, Nukleinsäureforschung (2023). DOI: 10.1093/nar/gkac1252