基于RNA编辑的高阶RNA传感系统——实现目标蛋白的可控表达

一项名为RADARS的新技术使科学家能够检测并瞄准特定的细胞类型，为诊断和治疗开辟了潜在的应用领域。

　　

麻省理工学院Broad研究所、哈佛大学和麻省理工学院麦戈文大脑研究所的研究人员开发了一种系统，可以检测活细胞中特定的RNA序列，并在反应中产生一种感兴趣的蛋白质。利用这项技术，研究小组展示了他们如何识别特定的细胞类型，检测和测量单个基因表达的变化，跟踪转录状态，并控制合成mRNA编码的蛋白质的生产。

该平台被称为可编程ADAR传感器，或RADARS，甚至允许团队瞄准并杀死特定的细胞类型。该团队表示，RADARS有一天可以帮助研究人员发现并选择性地杀死肿瘤细胞，或编辑特定细胞的基因组。这项研究发表在今天的《Nature Biotechnology》杂志上，由共同第一作者Kaiyi Jiang(MIT)、Jeremy Koob (Broad)、Rohan Krajeski(Broad)、Xi Chen (Broad) 和Yifan Zhang (Broad)领导。

“基因组学的革命之一是能够对细胞的转录组进行测序，”哈佛大学Broad梅金研究员的核心成员、助理教授Fei Chen说，他也是这项研究的共同通讯作者。“这真的让我们了解了细胞的类型和状态。但通常情况下，我们无法专门操作这些细胞。RADARS是朝着这个方向迈出的一大步。”

“目前，我们所拥有的利用细胞标记的工具很难开发和设计，”麦戈文研究所研究员、该研究的共同通讯作者Omar Abudayyeh补充说。“我们真的想创造一种可编程的方式来感知和响应细胞状态。”

Jonathan Gootenberg也是麦戈文研究所的研究员和联合通讯作者，他说他们的团队急于建立一个工具来利用单细胞RNA测序所提供的所有数据，该测序揭示了人体中大量的细胞类型和细胞状态。

他说:“我们想知道如何以一种像用CRISPR编辑基因组一样简单的方式来操纵细胞身份。我们很高兴看到该领域将如何利用它。”

再利用RNA编辑

RADARS平台利用细胞中自然发生的RNA编辑，在检测到特定的RNA时生成所需的蛋白质。该系统由一个包含两个成分的RNA组成:一个引导区，它与科学家想要在细胞中感知的目标RNA序列结合，一个有效载荷区，它编码感兴趣的蛋白质，如荧光信号或细胞杀死酶。当引导RNA与目标RNA结合时，会产生一个短的双链RNA序列，其中包含序列中的两个碱基——腺苷(A)和胞嘧啶(C)之间的不匹配。这种不匹配吸引了一个天然存在的RNA编辑蛋白家族，称为作用于RNA的腺苷脱氨酶(ADARs)。

在RADARS中，A-C不匹配出现在引导RNA的“停止信号”中，这阻止了所需有效载荷蛋白质的产生。ADARs编辑并使停止信号失效，允许蛋白质的翻译。这些分子事件的顺序是RADARS作为传感器功能的关键;只有在引导RNA与目标RNA结合，ADARs使停止信号失效后，才会产生感兴趣的蛋白质。

该团队在不同的细胞类型、不同的目标序列和蛋白质产物中测试了RADARS。他们发现RADARS能区分肾脏、子宫和肝脏细胞，并能产生不同的荧光信号以及一种杀死细胞的酶——半胱天冬酶。RADARS还可以在很大的动态范围内测量基因表达，证明了它们作为传感器的实用性。

大多数系统使用细胞本身的ADAR蛋白成功检测到目标序列，但该团队发现，向细胞补充额外的ADAR蛋白增加了信号强度。Abudayyeh说，这两种情况都可能有用;利用细胞的原生编辑蛋白可以最大限度地减少治疗应用中脱靶编辑的机会，但当RADARS作为实验室研究工具使用时，补充它们可以帮助产生更强的效果。

Abudayyeh、Chen和Gootenberg说，因为引导RNA和有效载荷RNA都是可修改的，其他人可以很容易地重新设计RADARS，以针对不同的细胞类型，产生不同的信号或有效载荷。他们还设计了更复杂的RADARS，在RADARS中，如果细胞感知到两种RNA序列，就会产生一种蛋白质，如果细胞感知到其中一种RNA序列，就会产生另一种蛋白质。该团队补充说，类似的RADARS可以帮助科学家同时检测多种细胞类型，以及不能由单个RNA转录确定的复杂细胞状态。

最终，研究人员希望开发出一套设计规则，这样其他人就可以更容易地为自己的实验开发RADARS。他们建议其他科学家可以使用RADARS来操纵免疫细胞状态，跟踪神经元对刺激的反应活动，或向特定组织传递治疗用的信使RNA。

“我们认为这是控制基因表达的一个非常有趣的范例，”Chen说。“我们甚至无法预测什么是最好的应用程序。这真的来自于拥有有趣生物学知识的人和你开发的工具的结合。”