逆转数千种疾病，转运RNA能否成为下一个mRNA？

来源 | 生辉

转运 RNA（Transfer RNA，以下简称 tRNA）是一类小的非编码 RNA，其最初被发现在蛋白质合成过程中充当氨基酸 “临时载体” 的角色，负责将其输送至生长中的多肽链末端。

近年来，随着相关研究的不断深入，越来越多的证据表明 tRNA 不仅在翻译过程中发挥独特作用，tRNA 及其衍生的小 RNA 作用涉及多个过程，包括转录和翻译的调节、翻译后修饰、应激反应及相关疾病。

其中，以基因突变导致翻译过程提前终止为病因的遗传性疾病种类即占所有遗传病种的 10-15%，涉及全球超过 3000 万患者。近些年来，该领域研究成果表明，基于 tRNA 的疗法或将成为解决该类疾病的钥匙。

图丨无义抑制 tRNA 疗法（来源：WIREs RNA）

相关产业闻风而动。自 2015 年开始，全球范围内涌现出数家公司致力于挖掘 tRNA 背后的 “金矿”，其中包括由 MIT 知名分子细胞生物学家 Harvey Lodish 教授创建的 Tevard Biosciences，以及深耕生物医疗赛道的 “孵化工厂” Flagship Pioneering 于 2021 年推出的 Alltrna 等等。

目前为止，围绕 tRNA 开展的疗法仍在初期阶段，但却并不妨碍资本市场对这一赛道投入更多关注。据公开消息显示，以 ReCode Therapeutics、Shape Therapeutics 和 Tevard Biosciences 三家初创公司为首，国际市场中相关企业已斩获近 4 亿美元用于开发基于 tRNA 的疗法。

2021 年，由夏青教授创办，国内首家专注于 tRNA 疗法的创业公司启夏解码一经公开即获广泛关注。截至目前，启夏解码已完成 1600 万美元的种子轮融资。

此前，Flagship 相关负责人及 Alltrna 联合创始人 Theonie Anastassiadis 表示，tRNA 有能力控制 “翻译的许多方面” ，这也成为了近年以来相关创业公司快速成长的源头。

一种药物或将干预多种疾病？

分子生物学的中心法则告诉我们，遗传信息从 DNA 流出，转录成为 RNA，然后在 tRNA 的作用下将其翻译成蛋白质。

1965 年，tRNA 首次得到分离鉴定。tRNA 分子的二级折叠结构形似三叶草，其中包含反密码子（anticodon）序列和携带氨基酸的 3' 端。

在翻译过程中，tRNA 利用反密码子识别并结合 mRNA 中的三联密码子（codon），再将适当的氨基酸转运至合成中的多肽链末端。整个过程沿着 mRNA 链进行，直到核糖体遇到终止密码子。

图丨 tRNA 结构及作用（来源：Mol. Biosci.）

可以说，密码子和反密码子之间严格执行的碱基配对使得翻译过程具有特异性。

但在某些情况下，基因突变会导致 tRNA 带入错误的氨基酸并引入终止密码子，使翻译过早终止，生成功能不全的蛋白质。这种提前到来的终止密码子如同句子中间的错位句点，打乱了 mRNA 中原本整齐有序的编码信息，这类基因突变被称为 “无义突变”。

“通常情况下，无义突变比错义突变的危害性更高。” 研究人员指出，因为它们会导致蛋白质表达的丧失。此外，截短的蛋白质很大程度上具有显性缺陷，从而导致严重的疾病表型。

据估计，超过 11% 的遗传疾病是因为提前终止密码子造成的，包括杜氏肌营养不良症、脊髓性肌萎缩、β- 地中海贫血症、Hurler 综合征、Usher 综合征等。

显而易见的是，该致病机理之下囊括了一个庞大的疾病种群。因此，研究人员推断，理论上可以通过 “抑制” tRNA 的方式治疗所有由于 “提前终止” 原因造成的疾病。

图丨使用抑制 tRNA（sup-tRNA）读取提前终止密码子以完成全长蛋白质（来源：Nature）

以 tRNA 作为治疗靶点有可能干预多种疾病，这成为了 tRNA 疗法的最大亮点。Flagship 的发起合伙人兼 Alltrna 联合创始人兼首席执行官 Lovisa Afzelius 表示：“实际上，数千种疾病中的终止密码子很有可能是相同的，因此我们或许可以在广泛的遗传疾病中使用相同的 tRNA 药物。”

tRNA 疗法的研究进程并非一蹴而就。长久以来，业内以遵循中心法则流动的方式开发药物，以 DNA、RNA，以及蛋白质为靶点的药物层出不穷。而在早期研究中，tRNA 仅充当 mRNA 翻译过程中的 “货车”，因此并未获得产学研界的关注。

高效安全的工程化 tRNA 是相关疗法的发展方向，产业化正在提速

“在基础研究的成果之上，工程化 tRNA 应用于无义突变疾病治疗的研究方兴未艾。结合无义突变疾病和 tRNA 生物学研究的基础数据，人工设计通读效率高、毒副作用小的工程化 tRNA，将是 tRNA 治疗研究的发展方向。” 北京大学药学院化学生物学系夏青教授说。

通过抑制 tRNA 活性（工程化 tRNA）纠正致病蛋白形成的想法大概可以追溯到 40 年前，彼时，加州大学旧金山分校 Yuet Wai Kan 实验室提出了这一想法。该团队在研究 β- 地中海贫血症的过程中发现，设计读取提前终止密码子的 tRNA 能够帮助蛙卵恢复生产全长蛋白质。（β- 地中海贫血症是由于血红蛋白 -β 基因无义突变造成的疾病。）

来源：Nature

21 世纪初，科罗拉多大学博尔德分校的研究人员在转基因小鼠上验证了这一疗法的可行性。同期，俄罗斯圣彼得堡奥特妇产科研究所（Ott Institute of Obstetrics and Gynecology in St. Petersburg）的研究人员通过抑制 tRNA 在肌营养不良症小鼠模型中纠正疾病。不过，奥特研究所专注于基因治疗的研究人员 Anton Kiselev 指出，基因替代等疗法在小鼠模型上效果更好，随之放弃了 tRNA 方法。

随后，tRNA 基础研究几乎停滞不前。取而代之的是，研究人员把视线放在了将重组 tRNA 与非标准氨基酸结合，开发新型重组蛋白治疗剂。在此期间，抑制 RNA 疗法的早期专利也进展不大，几乎没有什么专利获认可。

这一时期，tRNA 技术似乎还没有准备好。2014 年，葡萄牙研究人员表明抑制性 tRNA 对于无义突变引发的遗传性肿瘤综合征具有治疗和预防潜力。然而，这在当时并未引起资本和学术界的重视。

仅仅几年后，形势有所改观，产业化步伐加快。据不完全统计，当前有 6 家 tRNA 相关疗法公司，成立时间也都集中于 2015 年之后。整体来看，tRNA 相关疗法还处于产业化早期探索阶段，这几家创业最快的在研管线也还处于临床前研究中。

不过，设计抑制性 tRNA 仍然不是很多公司最初的重点。以 Shape Therapeutics 为例，公司的科学建立在加州大学圣地亚哥分校生物工程师 Prashant Mali 团队研究成果基础之上。该公司有两种靶向 RNA 点突变的方法，一种是抑制性 tRNA，另一种是利用人体内源性 ADAR 酶（腺苷脱氨酶）。第二种方式是 Shape Therapeutics 的研发重点，去年也是凭借第二种技术平台与罗氏签订近 30 亿美元的大单。

启夏解码是国内一家 tRNA 疗法创业公司，由北京大学药学院夏青教授创办。该团队于 2021 年 8 月利用基因密码子扩展技术恢复了杜氏肌营养不良症（DMD）小鼠模型中内源性肌营养不良蛋白 Dystrophin 的全长表达。

来源：Nature Biomedical Engineering

据夏青介绍，2016 年，此项研究已申报了中国和美国专利。目前该团队建立了从头设计工程化 tRNA 和 tRNA-aaRS 正交对的技术平台，进一步提高了无义突变疾病的治疗效果，降低其潜在的生物毒性。同时，团队还在积极推进 tRNA/tRNA-aaRS 疗法在肌营养不良疾病和无义突变癌症的临床前研究。预计，未来 5 年内完成 1-2 种疾病的临床治疗研究。

能否成为下一个 “mRNA”？

从产业化进展来看，罕见病称得上是 tRNA 相关疗法的 “第一战场”。实际上，罕见病并不 “罕见”，据统计目前全球已经确认了超过 7000 种罕见病，且还在以每年 250 种至 280 种的增速递增。罕见病约占人类总疾病的 10%，仅中国罕见病就超 2000 万人。

然而，罕见病的有效疗法仍然受限。以杜氏肌营养不良症（DMD）为例，目前，虽然已经有小分子口服药 Translarna (ataluren) 在欧洲获批上市，多款寡核苷酸疗法和基因编辑疗法在研，但是更安全有效的新疗法的开发仍然备受关注。而上文提到的工程化 tRNA 有望为数千种罕见病带来新希望。

图丨 tRNA 在细胞生理学的各种途径中发挥作用（来源：Mol. Biosci.）

“与小分子口服药相比，工程化 tRNAs-aaRS/tRNAs 可以实现在 DMD 的无义突变位点准确插入原先的氨基酸，高效恢复健康蛋白的全长表达，而且无明显毒副作用。在效率和副作用的表现上均优于口服小分子；针对 DMD 的寡核苷酸疗法是通过外显子跳跃的模式，表达截短的 Dystrophin 蛋白，部分恢复肌肉功能。而工程化 tRNAs-aaRS/tRNAs 可以恢复全长 Dystrophin 蛋白的表达。基因编辑疗法通过修改基因组实现无义突变的纠正，但潜在的脱靶毒性还需进一步研究。而且由于基因编辑系统较为庞大，递送方式的选择尤为重要，tRNA 疗法则较为灵活，可根据需求选择不同的递送方式。” 夏青这样解释工程化 tRNA 疗法与其他疗法的区别所在。

图丨中间为夏青教授

随着初创公司的相继落地，tRNA 的产业化开始进入蓬勃发展阶段，tRNA 是否有潜力成为下一个 “mRNA”？

“我认为，tRNA 有潜力成为下一个 “mRNA”，不过这需要科学家、医生、企业家和药监审批部门的通力协作。目前的研究是针对基因点突变的通用型治疗方法，这需要打破常规的创新审批制度，更需要各方以临床治疗效果为导向的决心与勇气。我们正极力推进 tRNAs-aaRS/tRNAs 在罕见病治疗上的迭代技术和临床前实验，希望通过我们的努力，能让 tRNA 疗法日趋成熟，早日惠及广大的罕见病患者。在罕见病第一战场取得好的成果后，我们会更有信心将 tRNA 推广到更多的治疗领域，为更多的患者提供新疗法。” 夏青对 tRNA 的发展信心满满。

夏青还指出，寡核苷酸疗法和 mRNA 疗法的发展，为 tRNA 疗法提供了产业化的土壤。新兴的核酸合成技术与递送系统，也将推动 tRNA 疗法走上发展的快车道。

不过，也有业内人士指出，tRNA 疗法要真正应用于临床病人身上，还有一些问题有待研究和解决。