Door strengen genetisch materiaal, bekend als boodschapper-RNA (mRNA), in cellen af ​​te leveren, onderzoekers kunnen de cellen ertoe aanzetten om elk eiwit te produceren dat door het mRNA wordt gecodeerd. Deze techniek heeft een groot potentieel voor het toedienen van vaccins of de behandeling van ziekten zoals kanker, maar het bereiken van een efficiënte levering van mRNA is een uitdaging gebleken.

Nutsvoorzieningen, een team van chemische ingenieurs van het MIT, geïnspireerd door de manier waarop cellen hun eigen mRNA vertalen in eiwitten, heeft een synthetisch toedieningssysteem ontworpen dat vier keer effectiever is dan het alleen afleveren van mRNA.

"Als we mRNA willen kunnen afleveren, dan hebben we een mechanisme nodig om er effectiever in te zijn, want alles wat tot nu toe is gebruikt, geeft je een heel klein deel van wat de optimale efficiëntie zou zijn, " zegt Paula Hammond, een David H. Koch Professor in Engineering, het hoofd van de afdeling Chemische Technologie van het MIT, en een lid van MIT's Koch Institute for Integrative Cancer Research.

Hammond is de senior auteur van het artikel, die verschijnt in Angewandte Chemie . De hoofdauteurs van de paper zijn postdoc Jiahe Li en promovendus Yanpu He. Andere co-auteurs in de krant zijn Wade Wang, Connie Wu, en Celestine Hong van het Hammond-lab.

Eiwitmachines

Messenger RNA draagt ​​genetische instructies van DNA, die de celkern niet kunnen verlaten, naar de ribosomen van de cel, die eiwitten assembleren op basis van de mRNA-sequentie. Messenger RNA is aantrekkelijk als een potentieel vehikel om ziekten te behandelen of vaccins af te leveren, omdat nadat een mRNA-streng is vertaald in het gewenste eiwit, het verslechtert uiteindelijk.

"Het verandert de genetische code niet, " zegt Hammond. "Er is geen kans dat er een gen wordt opgenomen, dus de veiligheidsfactor is een stuk hoger."

Om deze aanpak te laten werken, mRNA moet efficiënt in cellen komen, en eenmaal daar, het moet de ribosomen bereiken om in eiwit te worden vertaald. In een eerdere studie, de MIT-onderzoekers ontdekten dat ze de snelheid van mRNA-translatie konden verbeteren door een eiwitkap aan het ene uiteinde van de mRNA-streng te bevestigen. Deze dop helpt mRNA om een ​​complex te vormen dat nodig is om translatie te initiëren.

In de nieuwe studie de onderzoekers richtten zich op het andere uiteinde van het mRNA-molecuul. Natuurlijk voorkomend mRNA heeft meestal een lange "poly-A-staart, "bestaande uit een lange reeks adenosine-herhalingen, dat het molecuul stabiliseert en helpt weerstand te bieden aan de afbraak door enzymen in de cel.

Het MIT-team besloot om aan deze staart een eiwit te hechten dat een poly-A-bindend eiwit wordt genoemd. Dit eiwit, die van nature in cellen voorkomt, helpt mRNA te binden aan ribosomen en het translatieproces te starten.

De onderzoekers bedekten dit complex vervolgens met een type polymeer dat bekend staat als een polypeptide, dat is een opeenvolging van gemodificeerde aminozuren die in een keten aan elkaar zijn geregen. Dit polypeptide dient als een scaffold om het poly-A-bindende eiwit en mRNA in nauw contact te houden, en het helpt het negatief geladen mRNA te neutraliseren. Zonder die neutralisatie, mRNA zou niet door celmembranen kunnen gaan, die ook negatief geladen zijn.

Zodra het met polymeer beklede mRNA een cel binnenkomt, het poly-A-bindende eiwit beschermt het tegen afbraak en helpt het zich te verbinden met ribosomen. Het mRNA vormt een gesloten lus zodat een ribosoom er vele malen doorheen kan fietsen, produceren veel kopieën van het doeleiwit. Op deze manier, het effect van mRNA, wat een zeer kostbare genetische therapie is, kan aanzienlijk worden verbeterd door combinatie met veel goedkopere synthetische polypeptiden en eiwitten.

"De conventionele benadering is gewoon om mRNA in de cellen te brengen, ', zegt Li. 'Maar als mRNA eenmaal in de cellen komt, kan het worden afgebroken, dus we vormen een complex dat cruciaal is voor de initiatie van mRNA-translatie."

De MIT-aanpak helpt ook bij het overwinnen van een andere uitdaging voor het afleveren van mRNA, dat is dat de moleculen erg groot zijn, zegt Peixuan Guo, een professor in farmacie en medicijnafgiftesystemen aan de Ohio State University.

"De bevindingen van de groep van Paula Hammond in dit artikel bewijzen dat mRNA efficiënt kan worden afgeleverd door het gebruik van poly-A-bindende eiwitten, " zegt Guo, die niet bij het onderzoek betrokken was. "Deze technologie laat een grote toename van de geleverde payloads zien en zal een nieuwe weg banen voor de levering van mRNA."

Hogere eiwitexpressie

De onderzoekers testten dit systeem door mRNA af te leveren dat codeert voor het gen voor luciferase, een gloeiend eiwit, in de longen van muizen. Ze ontdekten dat met dit type levering, cellen produceerden vier keer zoveel eiwit als wanneer alleen mRNA werd verpakt met hetzelfde polypeptide voor aflevering.

Een van de redenen dat dit systeem efficiënter is, de onderzoekers geloven, is dat het de noodzaak voor mRNA elimineert om poly-A-bindende eiwitten te vinden in de overvolle cytoplasma-omgeving nadat het mRNA de cel is binnengekomen.

"We realiseerden ons dat cellen waarschijnlijk alleen genoeg van dit poly-A-bindende eiwit maken om hun eigen mRNA te vertalen, " Zegt hij. "Als je eenmaal overtollig mRNA hebt afgegeven, de cel heeft niet genoeg van dit helper-eiwit om het te vertalen. We realiseerden ons dat we het meer helper-eiwit moesten geven, pre-assembleer het met onze polypeptiden om de structuur van eiwitsynthese na te bootsen, lever dan deze bio-geïnspireerde assemblage samen in de cel."

In dit onderzoek, de mRNA-deeltjes die zich ophopen in de longen vanwege de positieve lading van het polypeptide, waardoor de deeltjes zich konden hechten aan rode bloedcellen en een ritje naar de longen konden maken. Echter, de onderzoekers zijn nu van plan om de deeltjes te modificeren met polymeren die ze naar andere locaties in het lichaam zullen leiden, inclusief tumoren.

Ze werken ook aan het verder verbeteren van de stabiliteit van de polypeptidemoleculen door aan één uiteinde een hydrofobe staart toe te voegen, en door een polymeer te bevestigen dat PEG wordt genoemd. Beide modificaties zouden de moleculen moeten helpen langer in het lichaam te circuleren, waardoor ze hun beoogde bestemmingen kunnen bereiken.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.