Dankzij nieuwe RNA-vaccins hebben wij mensen ons ongelooflijk snel kunnen beschermen tegen nieuwe virussen zoals SARS-CoV-2, het virus dat COVID-19 veroorzaakt. Deze vaccins brengen een stukje kortstondig genetisch materiaal in de lichaamscellen, die vervolgens de code ervan lezen en een specifiek eiwit produceren - in dit geval veelbetekenende "spikes" die de buitenkant van het coronavirus bedekken - waardoor het immuunsysteem wordt voorbereid om toekomstige indringers te bestrijden .

De techniek is effectief en belooft veel voor allerlei therapieën, zegt Eerik Kaseniit, Ph.D. student bio-ingenieur aan Stanford. Op dit moment kunnen dit soort RNA-therapieën zich echter niet op specifieke cellen concentreren. Eenmaal in het lichaam geïnjecteerd, maken ze zonder onderscheid het gecodeerde eiwit in elke cel die ze binnenkomen. Als je ze wilt gebruiken om slechts één soort cel te behandelen, zoals die in een kankergezwel, heb je iets nauwkeurigers nodig.

Kaseniit en zijn adviseur, assistent-professor chemische technologie Xiaojing Gao, hebben misschien een manier gevonden om dit mogelijk te maken. Ze hebben een nieuw hulpmiddel gemaakt, een RNA-"sensor" genaamd - een streng in het laboratorium gemaakt RNA dat de inhoud ervan alleen onthult wanneer het bepaalde weefsels in het lichaam binnendringt. De methode is zo nauwkeurig dat het zowel celtypes als celtoestanden kan herkennen, en alleen wordt geactiveerd wanneer de doelcel een bepaald RNA aanmaakt, zegt Gao. Het paar publiceerde hun bevindingen op 5 oktober in het tijdschrift Nature Biotechnology .

"Voor het eerst kun je alleen de cellen van interesse rechtstreeks een eiwit laten produceren onder zeer specifieke omstandigheden", voegt Gao eraan toe. "Dat soort nauwkeurigheid was gewoon niet eerder mogelijk." Het geproduceerde eiwit kan een antigeen zijn - een vreemde stof die een immuunrespons opwekt - zoals in het geval van vaccins, een enzym dat de functie van een kapotte cel herstelt, een fluorescerend eiwit dat kan worden gebruikt om specifieke cellen te volgen in een onderzoeksstudie, of een eiwit dat celdood veroorzaakt om onder andere pathogene of anderszins ongewenste cellen te verwijderen.

Het immuunsysteem benutten

Het nieuwe systeem van het paar, genaamd RADAR, bestaat in wezen uit twee secties:een "sensor" -gebied dat zich vastzet op specifieke RNA's in het lichaam, en een "payload" -gebied dat een cel zal lezen en omzetten in een eiwit. De twee secties worden gescheiden door een stopcodon, een RNA-sequentiegedeelte dat een deel van de genetische code van RADAR ontoegankelijk maakt.

Als het sensorgebied van RADAR met succes op zijn doel klikt, zal het stopcodon verdwijnen, waardoor het resterende gebied - zijn "payload" - plotseling leesbaar wordt. In theorie zou deze lading instructies kunnen bevatten om elk eiwit, in elk type cel, op elk moment te maken.

Het proces vindt plaats dankzij een bestaande reeks enzymen genaamd ADAR (Adenosine Deaminases Acting on RNA) - een bijproduct van een voortdurende virale wapenwedloop die al millennia in het menselijk lichaam woedt, zegt Gao.

Sommige virussen, zoals SARS-CoV-2, griep en norovirus, zijn slechts een eiwitomhulsel met RNA erin genesteld. Tijdens het repliceren creëren deze virussen zeer lange stukken dubbelstrengs RNA. Omdat de virussen verwoestende effecten op het lichaam kunnen hebben, heeft ons immuunsysteem geleidelijk geleerd om die dubbelstrengs RNA's als een bedreiging te zien en zal het ze snel uitschakelen.

"Het is een soort gevaarsignaal - als een cel dubbelstrengs RNA ziet, wordt hij er meteen bang van", zegt Kaseniit.

In een vreemde wending van de evolutie maakt ons eigen lichaam echter ook dubbelstrengs RNA. Terwijl virussen ons gedurende millennia hebben aangevallen, zich in onze cellen hebben ingegraven en met onze genetische machinerie hebben gespeeld, zijn sommige van hun genen geabsorbeerd en opgenomen in ons DNA. (Dat is geen toevalstreffer:het is in het verleden zo vaak gebeurd dat het menselijk genoom tegenwoordig bijna 8% virus is.)

Om dit probleem op te lossen, evolueerde ADAR als een soort "test"-systeem - een manier voor het lichaam om te bepalen of een stuk dubbelstrengs RNA vriend of vijand is. Als het er een vindt die door ons eigen genoom is gemaakt, bewerkt ADAR het enigszins om het minder bedreigend te laten lijken, waardoor gaten of openingen tussen de twee strengen ontstaan, zoals het verwijderen van een paar steken in het midden van een naad van stof. Het immuunsysteem, dat grotere vissen moet bakken, negeert dit rafelige uitziende RNA onmiddellijk en gaat door met het bestrijden van de echte vijand.

RADAR maakt gebruik van dat mechanisme. Wanneer de "sensor" -module zich vastgrijpt op een specifiek doelmolecuul (een ander stuk RNA), ziet ADAR het resulterende dubbelstrengs paar als een vriendelijke, onschadelijke variëteit en bewerkt het het getrouw zodat het immuunsysteem het zal negeren. Tijdens het proces wist het het kleine moleculaire "stop" -teken dat de onderzoekers in het midden van de RNA-streng hebben ingebouwd. Eenmaal verwijderd, is het payload-gedeelte van RADAR zichtbaar voor de cel en wordt de code die het bevat omgezet in een eiwit.

Potentieel voor nieuwe programmeerbare therapieën

Op dit moment testen Kaseniit, Gao en hun medewerkers RADAR nog steeds in verschillende omgevingen, maar de resultaten zien er veelbelovend uit. Met co-auteurs, universitair hoofddocent chemische technologie Elizabeth Sattely en postdocs Diego Wengier en Will Cody, hebben ze het zelfs geprobeerd in planten, die van nature geen ADAR-systemen hebben, maar nadat ze ADAR-enzymen aan de mix hadden toegevoegd, waren ze in staat om krijg dezelfde resultaten. In de toekomst, zeggen ze, zou de flexibiliteit en precisie van RADAR een waardevol hulpmiddel kunnen zijn in zowel onderzoek als geneeskunde, waardoor wetenschappers een manier kunnen vinden om specifieke cellen in het laboratorium te onderzoeken of om therapieën in het lichaam af te leveren.

"Dat is de hoop en droom van RNA als platform, omdat je gewoon elk eiwit dat je wilt op een stuk RNA kunt coderen en cellen zullen het maken. Nu met deze controle-elementen kunnen we specificeren in welke doelcel het zal worden geactiveerd. Dat is heel krachtig", zegt Kaseniit. + Verder verkennen

Nieuwe op RNA gebaseerde tool kan hersencircuits verlichten, specifieke cellen bewerken