单个环状RNA分子感应多种细胞内源微小RNA（miRNA）信号
RNA是具有巨大潜力的新型药物形式。与线性mRNA相比，环状RNA（circRNA）更稳定，在哺乳动物细胞内的持续时间更长。因此circRNA被认为是一种很有前景的线性mRNA的替代物。迄今为止，合成生物学家已经开发出了若干种在线性mRNA和circRNA中调控基因表达的策略，但这些方法通常需要引入额外的RNA结合蛋白并且需要串联多个翻译抑制元件来实现翻译激活，这无疑增加了RNA基因线路的复杂性。因此，开发一种简洁高效并且能够应用于circRNA的翻译调控方法仍然是合成生物学领域的一大挑战。
针对这一问题，研究团队通过理性设计的方式，构建了模块化、可编程的RNA翻译控制系统（PROMITAR）。该系统包含三个独立可编程的模块：感应miRNA的IRES翻译激活模块（miRNA-responsive IRES translation activator，MITA）、感应miRNA的IRES翻译抑制模块（miRNA-responsive IRES translationrepressor,MITR）和目标基因编码序列。在该设计策略中，不同miRNA的存在或缺失会触发MITA或MITR的激活，从而实现目标基因的翻译激活或翻译抑制。研究人员以丙肝病毒（HCV）的IRES序列为基础，通过在IRES上游设计含有不同miRBS的特殊二级结构，实现了由单一miRNA输入、双重miRNA输入和三重miRNA输入的翻译激活元件。研究团队还通过变换不同的miRBS，实现了二输入miRNA信号的逻辑“与”“或”“非”门。由于该系统具有模块化、可编程的特点，研究人员只需根据输入的miRNA序列和期望实现的逻辑运算功能，在PROMITAR系统的MITA和MITR模块中设计对应的miRBS，即可实现自定义的响应多重miRNA输入的逻辑运算功能。
基于该平台，研究人员成功构建了具有逻辑门运算能力和细胞分类功能的circRNA，并且将GasderminD蛋白的N端序列编码到circRNA中，实现了在目标肝癌细胞中选择性诱导细胞焦亡。此外，研究人员还验证了这一设计策略可以推广至其他病毒类型的IRES序列的工程改造，展示了该平台的通用性。该研究成果不仅拓展了RNA翻译控制的合成生物学工具箱，为程序化的细胞功能改造提供了一种创新方法，也为RNA药物开发提供了新的思路。
研究成果以“在哺乳动物细胞中理性设计响应microRNA的可编程翻译调控开关”（Rational design of microRNA-responsive switch for programmable translational control in mammalian cells）为题，于11月8日发表于《自然·通讯》（Nature Communications）期刊上。
清华大学自动化系谢震副教授为论文通讯作者，清华大学自动化系2021级博士生宁辉、北京合生基因科技有限公司刘淦博士为论文共同第一作者，清华大学自动化系李磊博士，北京合生基因科技有限公司刘强、黄慧雅博士参与了研究。
该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京清华工业开发研究院、清华大学春风基金和北京信息科学技术国家研究中心的资助。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-023-43065-w
供稿：自动化系
题图设计：赵存存
编辑：李华山
审核：郭玲
2023年11月10日 10:25:51
