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Science | RNA疗法新策略:lncRNA功能元件制剂具备苯丙酮尿症治疗潜力
2021-08-06

对人类遗传病的研究往往主要围绕着识别编码基因的突变和功能障碍来进行,然而,约98%的人类基因组突变发生在非编码区域内,而人们对非编码RNA在人类遗传疾病中的功能作用仍缺乏了解。例如,苯丙酮尿症 (Phenylketonuria, PKU) 在长期以来一直被认为是一种由 L-苯丙氨酸 (Phe) 水解为L-酪氨酸 (Tyr) 的过程异常的单基因遗传病【1】,超过1000种苯丙氨酸羟化酶 (phenylalanine hydroxylase, PAH) 变体已被确认为与PAH缺乏症相关。然而,一些被诊断为PKU的患者并没有发现PAH基因存在突变,且即使是共享相同突变PAH基因型的兄弟姐妹,也可能具有截然不同的认知和代谢表型【2】,这些结果提示可能存在导致这种疾病的未知因素。此外,未经治疗的PKU患者会表现出智力障碍、癫痫发作等问题,轻度PKU患者可以采用补充BH4(一种 PAH 辅因子)的酶增强疗法,但重症者往往治疗反应不佳,因此,当前迫切需要其他更为可靠的治疗策略。

 

近日,来自美国德克萨斯大学安德森癌症中心的杨柳青团队等多个团队在Science杂志上合作发表了一篇题为A noncoding RNA modulator potentiates phenylalanine metabolism in mice 的文章,这项研究证明了小鼠的lncRNA Pair和人类的HULC与PAH相关,PairHULC缺失分别会引起小鼠出现人类PKU特征,以及人诱导多能干细胞分化的肝细胞中PAH酶活性降低。此外,作者证明了HULC可以促进PAH-底物或PAH-辅因子相互作用来调节PAH酶活性,并设计出靶向肝脏的且改善小鼠体内Phe水平的GalNAc-HULC模拟物,揭示LncRNA在Phe代谢中的治疗潜力。

 

 

为了了解LncRNA的生物学重要性,作者构建了小鼠胚胎(E18.5)和2月龄成年小鼠肝脏的LncRNA谱,其中Pair(PAH-activating lincRNA)是成人肝脏中上调最明显的LncRNA之一,且表现出低编码潜力。作者通过CRISPR/Cas9分别构建了Pair+/-Pair-/-小鼠,与野生型和单倍体缺失性小鼠相比,Pair-/-小鼠无论性别均表现出色素减退、生长迟缓、血清Phe浓度高及癫痫发作等症状(图1),几乎复现了人类PKU表型。

 

 

图1. Pair-/-小鼠模拟了人类PKU表型

 

接下来,为了了解内在的分子基础,作者对小鼠肝脏通过生物素化的正义或反义Pair进行pulldown实验,并对Pair野生型/缺失性小鼠肝脏以及健康人肝组织进行CLIP分析,发现在人和鼠的正常组中存在PAH-lncRNA(s)复合物,而Pair缺失组中这种复合物含量减少。RNA免疫沉淀分析也进一步证实PairHULC(人类中与PAH相关的lncRNA)与PAH的相关性。此外,作者发现在Pair-/-HULC缺陷型肝细胞中,Pair/HULC均以剂量依赖性方式引起细胞Phe浓度降低。

 

先前报道指出,PAH的酶活性需要辅因子BH4的存在,影响PAH-Phe或PAH-BH4相互作用的PAH突变会削弱PAH的催化活性,而Phe分子作为变构激活剂与PAH的调节域结合【3-5】。基于这些结果,作者通过蛋白结构生信分析发现HULC(184-216核苷酸)能与PAH结合以稳定Phe变构诱导的PAH开放构象,促进PAH与phe或BH4的结合。HULC或Pair对PAH构象变化的影响,作者也通过在有无HULCPair的条件下,检测PAH与phe或BH4的结合情况进行了验证。

 

根据上述发现,作者推断补充lncRNA可能会提高PAH突变体的酶活性,从而改善PKU患者的相应症状,为此,作者设计了HULC及其突变序列的模拟物,并从PKU患者中筛选出17个已知会影响PAH酶活性的PAH突变体,检测在模拟物存在条件下PAH野生型及突变体分别和Bio-Phe或Bio-BH4的结合力,以及PAH将Phe催化为Tyr的效果,结果显示HULC模拟物能够促进野生型PAH及部分突变体PAH的酶活性。同时,作者也证明了PairHULC能够增强携带PKU患者常见突变的PahR408W/R408W小鼠体内以及由PKU患者来源的诱导多能干细胞分化的肝细胞中的突变PAH酶活性。在临床转化方面,作者也设计了能够在肝脏富集的GalNac标记的HULC模拟物,协同Sapropterin能明显降低小鼠体内过高Phe浓度,且不会对小鼠的肝肾功能产生可检测到的影响。总的来说,这项研究表明lncRNA在Phe代谢中的重要作用,应用HULC模拟物可以增强某些突变PAH蛋白的酶活性,为PKU患者提供潜在的干预。

 

 

 

针对这项研究,来自以色列魏茨曼科学研究学院的Rotem Ben-Tov PerryIgor Ulitsky在同期杂志上发表了观点:Therapy based on functional RNA elements。他们认为与需要由核糖体翻译的治疗性mRNA相比,lncRNA 模拟物可以被广泛修饰,这可以促进体内高稳定性并降低免疫原性,此外还能很容易地用器官靶向肽标记以进行组织特异性分布。正如这项研究所提出的,虽然小鼠和人lncRNA之间的低保守性阻碍了“致病性”或“治病性”lncRNA的鉴定,但某些功能元件在两个物种间很可能是保守的,从而克服了反义寡核苷酸 (ASO) 的主要挑战(图2)

 

图2. 三种疗法对比图

 

虽然具备以上优势,但在实现全长lncRNA或片段的治疗潜力之前,仍需克服几个障碍:1)改进将RNA分子传递到特定位点的运输手段;2)需扩展并建立与特定病理状态相关的lncRNA库;3)克服递送全长lncRNA的困难,或通过计算/实验手段来识别保守的功能结构及最小骨架,以促进稳定性和所需的亚细胞定位。

 

原文链接:

http://doi.org/10.1126/science.aba4991

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