良渚实验室张跃/河南大学安磊等综述揭示抑制性tRNA在基因治疗中的潜力

良渚实验室张跃/河南大学安磊等综述揭示抑制性tRNA在基因治疗中的潜力

近日，Science China Life Sciences(《中国科学：生命科学(英文)》) 在线发表了良渚实验室张跃研究员团队和河南大学安磊副教授团队撰写的综述文章“Suppressor tRNA in gene therapy”，全面概述了抑制性tRNA（suppressor-tRNA）的生物学机制，梳理了相关研究的发展历程，阐释了抑制性tRNA疗法相较于氨基糖苷类药物、PTC124等其他通读疗法的优劣势，并深入分析了抑制性tRNA在疾病的基因治疗中的应用潜力。

无义突变引起的遗传疾病约占人类遗传疾病的11%，这些突变在遗传密码中引入终止密码子（PTCs）（如UAA、UAG或UGA），导致翻译过程提前终止，因而产生截短的、功能异常的蛋白质。抑制性tRNA是一种经过工程化改造或天然存在的特殊的tRNA分子，当核糖体遇到终止密码子时，抑制性tRNA会引入相应的氨基酸进入正在合成的多肽链中，蛋白翻译得以继续，获得全长蛋白质（图1）。

不同PTC通读疗法的机制
(A)抑制性tRNA通读策略。工程化改造反密码子的天然tRNA携带常规的氨基酸，从而能够通读过早终止密码子(PTC)。(B)非天然成对的aaRS-tRNA通读策略。非天然成对的aaRS-tRNA通过掺入非天然氨基酸促进PTC的通读。(C)氨基糖苷类药物通读策略。氨基糖苷类药物破坏核糖体的解码中心，导致近同源的氨基酰基tRNA的错误结合，导致PTC的通读。(D)假尿嘧啶的PTC通读策略。靶向PTC中的尿嘧啶，使其假尿嘧啶化抑制PTC诱导的翻译终止。(E)反义寡核苷酸(ASO)策略。ASOs可以被设计成改变RNA的剪接，导致包含PTC的外显子被跳过。(F)基因编辑策略。腺嘌呤碱基编辑器(ABEs)将目标A·T碱基对转化为G·C碱基对，从而将PTC转化为正常的编码序列。

起初tRNA被认为仅仅是氨基酸的运输工具，直到抑制性tRNA的发现才改变了这一观点。1965年，Engelhardt等人首次通过实验验证抑制性tRNA能够识别终止密码子并插入氨基酸，绕过翻译终止过程。随后多项研究进一步揭示了抑制性tRNA在真核生物中的通读机制，并显示其在基因治疗中的潜力。2000年报道了首个抑制性tRNA的体内实验研究，利用局部注射在小鼠体内成功实现了抑制性tRNA诱导通读。随着基因工程技术的发展，合成和修饰抑制性tRNA的效率不断提高，拓宽了其在遗传疾病治疗中的应用前景。2022年和2023年分别报道了通过腺相关病毒(AAV)和脂质纳米颗粒(LNP)在体内系统递送抑制因子tRNA治疗无义突变相关疾病的代表性研究。（图2）

抑制性tRNA的发展历程
图中显示了抑制性tRNA发展过程中的里程碑事件。自1962年首次报道发现“无义突变”和“抑制突变”以来(Benzer and Champe, 1962)，随后几年的基础生物学研究逐渐证明了抑制tRNA抑制无义突变的机制(Engelhardt et al., 1965)。1980年发现真核生物中所有三种终止密码子都可以被通读(Bienz et al., 1980)。1982年在哺乳动物细胞中也报道了类似的结果(Hudziak et al., 1982)。首次局部给药的体内抑制性tRNA研究于2000年进行(Buvoli et al., 2000)。2022年和2023年报道了两项关于通过腺相关病毒(AAV)和脂质纳米颗粒(LNP)在体内系统递送抑制因子tRNA治疗无义突变相关疾病的代表性研究(Albers等，2023;Wang et al., 2022)。

抑制性tRNA利用内源性转录本治疗遗传疾病，有效避免了外源性蛋白质过度表达或脱靶效应相关的潜在细胞毒性。这一优势使得抑制性tRNA在治疗由无义突变引起的遗传疾病方面展现出巨大应用前景，已有Alltrna、ReCode Therapeutics、Shape Therapeutics等多家生物技术公司投入开发基于抑制性tRNA的相关疗法。然而，抑制性tRNA疗法仍然面临诸多挑战。PTC抑制的效率依赖于周围序列和PTC的位置，工程化的抑制性tRNA可能会降低氨酰化效率，同时抑制性tRNA还可能识别正常终止密码子，导致异常蛋白的生成。非天然氨基酸的使用可能引发细胞毒性，大剂量递送系统可能引发免疫反应和细胞毒性等问题也需解决。

尽管目前尚无tRNA疗法获得临床试验批准，随着分子生物学、生物信息学、合成生物学等相关学科和递送系统研究的快速发展，抑制性tRNA基因疗法正迈入新时代。