ADAR 是一類在人體內(nèi)各組織中廣泛表達的腺苷脫氨酶，這一機制存在于所有人類細胞中，可以催化 RNA 分子中的腺苷 A 轉(zhuǎn)換為肌苷 I（鳥苷 G）。當前，無論是基礎(chǔ)研究，還是產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化，基于 ADAR 的 RNA 編輯系統(tǒng)頗受關(guān)注。

不過，ADAR 編輯的應(yīng)用潛力并不止于此。近日，MIT 的研究人員開發(fā)出了一種基于 ADAR 的可編程 RNA 傳感器技術(shù)，即可編程 ADAR 傳感器（Reprogrammable ADAR Sensors，RADARS）。該系統(tǒng)由上游熒光蛋白、中間的向?qū)?RNA（guide RNA）和尾部的載貨蛋白（cargo protein）組成。

（來源：Nature Biotechnology）

在試驗中，該團隊使用這項技術(shù)識別了特定的細胞類型包括腎細胞、子宮細胞和肝細胞，檢測和測量單個基因表達的變化、跟蹤轉(zhuǎn)錄狀態(tài)，并調(diào)控了 mRNA 編碼蛋白質(zhì)的產(chǎn)生。

研究小組指出，RADARS 系統(tǒng)是可編程生物傳感器平臺的基礎(chǔ)，在生物醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)研究、診斷和治療上具有應(yīng)用價值。

本文的第一作者是 MIT 的博士生 Kaiyi Jiang（姜凱議），通訊作者是博德研究所的 Omar Abudayyeh、Fei Chen 以及 Jonathan Gootenberg。借此機會，生輝采訪到了本文第一作者姜凱議博士。

姜凱議本科畢業(yè)于美國萊斯大學(xué)，主修生物工程專業(yè)，接受了合成生物學(xué)訓(xùn)練。其導(dǎo)師 Caleb Bashor 曾師從合成生物學(xué)先驅(qū) James Collins，實驗室的研究方向是利用多種真核細胞類型（包括哺乳動物的免疫細胞和干細胞）學(xué)習(xí)如何重新編程參與細胞感覺和反應(yīng)的復(fù)雜調(diào)控電路。目前，他是 MIT Omar Abudayyeh 和 Jonathan Gootenberg 實驗室博士二年級的學(xué)生。

▲圖 | 姜凱議博士（來源：受訪者提供）

“通過試驗，我們驗證了 RADARS 系統(tǒng)能夠特異性識別或者靶向清除特定的細胞類型。未來可以幫助科學(xué)家們動態(tài)追蹤細胞內(nèi)基因表達，也可選擇性清除腫瘤細胞，或者編輯特定細胞中的基因組?！?a style="margin: 0px; padding: 0px; color: rgb(87, 107, 149); border: 0px; outline: 0px; -webkit-tap-highlight-color: rgba(0, 0, 0, 0); cursor: pointer; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important;">姜凱議告訴生輝。

Fei Chen 指出，“基因組學(xué)革命帶來的一個影響就是對細胞轉(zhuǎn)錄組進行測序，這讓我們能夠了解細胞類型和狀態(tài)。然而，我們還無法特異性調(diào)節(jié)這些細胞，RADARS 朝著這個方向邁出了一大步?！?/span>

開發(fā)模塊化 RNA 工具，可利用 AAV 或 LNP 遞送

Omar Abudayyeh 和 Jonathan Gootenberg 是張峰的學(xué)生，現(xiàn)在兩人都是 MIT 麥戈文腦科學(xué)研究所的研究員。畢業(yè)后，兩人在麥戈文腦科學(xué)研究所共同成立了實驗室 Abudayyeh-Gootenberg Lab。實驗室的主要研究方向是構(gòu)建和應(yīng)用下一代分子工具。即將生物學(xué)發(fā)現(xiàn)和分子工程相結(jié)合，開發(fā)一套用于操作 DNA、RNA 和細胞狀態(tài)的新工具——細胞工程工具箱，并將這些工具應(yīng)用于調(diào)控細胞命運、衰老以及遺傳疾病。

Omar Abudayyeh 在官方通稿中指出，現(xiàn)在還很難開發(fā)和設(shè)計基于細胞標記的工具，我們希望以此為突破口，開發(fā)一種可編程感知和反應(yīng)細胞狀態(tài)的方法；另一名合作者 Fei Chen 是博德研究所核心成員、哈佛大學(xué)助理教授，他實驗室的重點是研究細胞類型并通過單細胞組學(xué)對其進行分析。他希望能夠設(shè)計出一種“下一代”測序工具，通過不同的熒光蛋白即可測量出每個細胞中 mRNA 的含量。

▲圖 | 從左到右分別是 Omar Abudayyeh、Jonathan Gootenberg 和 Fei Chen（來源：MIT 麥戈文腦科學(xué)研究所官網(wǎng)）

雙方一拍即合決定合作開發(fā)一種新型的RNA工具。“在這項研究之前，幾乎沒有一個非常合適的技術(shù)可以簡單地觀察細胞狀態(tài)，此前最常使用的技術(shù)是 microRNA。不過，這種方式存在一定的局限性，與 mRNA 相比，microRNA 信息量不到 1%。所以在設(shè)計的時候，我們在想是否可以設(shè)計出一個特別簡單的工具，既可以檢測 RNA 的類型和狀態(tài)，也可以釋放不同的載荷蛋白?！?a style="margin: 0px; padding: 0px; color: rgb(87, 107, 149); border: 0px; outline: 0px; -webkit-tap-highlight-color: rgba(0, 0, 0, 0); cursor: pointer; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important;">姜凱議說。

從這些考量出發(fā)，姜凱議等以人體內(nèi)源蛋白 ADAR 為基礎(chǔ)，通過合成生物學(xué)思路開發(fā)出了一種模塊化的 RNA 傳感器系統(tǒng)。

姜凱議告訴生輝，RADARS 系統(tǒng)是實驗室第一個比較偏合成生物學(xué)的項目。該系統(tǒng)其實是一段 RNA，整個設(shè)備有點類似于 mRNA 的 5’端。其設(shè)計具有模塊化，可以在 5’端添加不同的功能模塊。科學(xué)家們可以通過修改向?qū)?RNA 和編碼載荷蛋白的 mRNA 序列重編程 RADARS，即靶向識別不同的細胞類型，或者生成不同的載荷蛋白。

▲圖 | RADARS 的構(gòu)成以及如何發(fā)揮功能（來源：上述論文）

上文已經(jīng)提到，這套系統(tǒng)由上游的熒光蛋白、中間的向?qū)?RNA（guide RNA）和尾部的載貨蛋白（cargo Protein）組成。上游的熒光蛋白會持續(xù)表達，監(jiān)測 RNA 是否進入到細胞中；向?qū)?RNA 相當于傳感器組件，與細胞中特定的 RNA 序列結(jié)合可以定位到目標 RNA，然后通過 ADAR 腺苷脫氨酶對 RNA 堿基序列的編輯能力選擇性觸發(fā)全新蛋白質(zhì)的表達；載貨蛋白是一段編碼蛋白的 mRNA，可以編碼任何預(yù)期釋放的蛋白，既可以表達熒光蛋白監(jiān)測 RNA 狀態(tài)，也可以表達能夠殺死細胞的酶。

其中，在向?qū)?RNA 上引入了一個終止密碼子，當未與目標 RNA 結(jié)合時，下游的載荷蛋白不會被表達出來；當向?qū)?RNA 與目標 RNA 序列結(jié)合時，會產(chǎn)生一段包含堿基序列腺苷（A）和胞嘧啶（C）之間錯配的雙鏈 RNA 序列，這種錯配會吸引天然存在的 ADAR 編輯雙鏈 RNA 序列中的堿基 A，從而使終止密碼子失活，載荷蛋白得以被翻譯表達出來。

據(jù)姜凱議透露，RADARS 的尺寸也不大，整個系統(tǒng)不超過 2-3kb，既可以利用 LNP 遞送系統(tǒng)，也可以用 AAV 或者其他病毒載體包裹。

可實現(xiàn)器官特異性遞送、提高 RNA 算力

論文中寫道，RADARS 的靈敏度也比較高，研究人員通過實驗證明了該系統(tǒng)可以在內(nèi)源性轉(zhuǎn)錄本低至每百萬分之 13 的表達水平下檢測到 RNA。

研究團隊對整個細胞中的 mRNA 進行了測序，檢驗了 RADARS 對細胞的生長周期的干擾和脫靶率。數(shù)據(jù)顯示，RADARS 并未干擾轉(zhuǎn)錄和內(nèi)源性 mRNA 的翻譯；在脫靶率分析上，基因組重復(fù)部分中的 MCP-ADAR2 脫靶率占脫靶編輯的 25%-47%，但在這些區(qū)域中 ADAR1p150 脫靶率不到 5%。這一數(shù)據(jù)突出了不同的脫氨酶構(gòu)建體對脫靶譜的影響。

▲圖 | RADARS 系統(tǒng)不會干擾細胞生長和發(fā)育過程，且脫靶率很低（來源：上述論文）

研究人員在不同的細胞類型以及不同的靶序列和蛋白質(zhì)產(chǎn)物中測試了 RADARS。他們發(fā)現(xiàn) RADARS 可以特異性區(qū)分腎細胞、子宮細胞和肝細胞，并且可以產(chǎn)生不同的熒光信號以及半胱天冬酶，這種酶參與細胞凋亡、發(fā)育、壞死、炎癥等許多重要的生理過程。RADARS 還測量了大面積動態(tài)范圍內(nèi)的基因表達情況，進一步證明了 RADARS 傳感器的實用性。

▲圖 | 在多輸入傳感、誘導(dǎo)細胞死亡和靶向環(huán)化重組酶（Cre）表達中的應(yīng)用（來源：上述論文）

在實驗中，研究人員還將 RADARS 遞送到體內(nèi)的特定細胞類型中，然后發(fā)現(xiàn) RADARS 在其他細胞類型中幾乎沒有表達，具有一定的器官特異性。即使 RADARS 遞送到了肝臟或者是肺部，但可以將其的表達控制在只在肺里或只在肝里表達。

姜凱議指出，這套系統(tǒng)一方面可以幫助 LNP 或者 AAV 實現(xiàn)器官特異性遞送；另一方面，我覺得這套系統(tǒng)更重要的意義在于可以提高 RNA 的算力，未來通過算力優(yōu)勢促進開展一些新型研究。

具有診斷和治療潛力，已申請相關(guān)專利

姜凱議坦言，整體來看，RADARS 構(gòu)成了可重編程生物傳感器平臺的基礎(chǔ)，既是一種基礎(chǔ)科研的工具，也在診斷和治療上具有轉(zhuǎn)化應(yīng)用潛力。

上文提到，RADARS 具有模塊化，科學(xué)家們可以通過改變向?qū)?RNA 和載荷蛋白進行重編程，并根據(jù)實際需求量身定做出 RADARS 系統(tǒng)。編碼載荷蛋白的 mRNA 可以翻譯表達熒光蛋白，作為一種實時的 RNA 測量工具，動態(tài)追蹤不同細胞的類型和狀態(tài)；也可以表達具有細胞殺傷功能的酶，從而精準殺傷或清除腫瘤細胞。“通過實驗，我們已經(jīng)初步證明 RADARS 會是一種良好的腫瘤治療方案?！?/span>

除了對腎細胞、子宮細胞和肝細胞的研究之外，研究團隊還開展了對免疫細胞、心臟細胞、神經(jīng)元、腫瘤細胞等不同細胞的特異性識別、進化狀態(tài)追蹤的研究。

據(jù)姜凱議介紹，RADARS 也能夠作為邏輯序列優(yōu)化，可以在其原型基礎(chǔ)上設(shè)計出更復(fù)雜、精確度更高的系統(tǒng)。比如說，初級的 RADARS 系統(tǒng)只能檢測某一類 RNA 的轉(zhuǎn)錄或者基于某一類 RNA 釋放載荷蛋白，復(fù)雜的 RADARS 系統(tǒng)可以同時檢測出多種 RNA，確定無法通過單個 RNA 轉(zhuǎn)錄本判斷的復(fù)雜細胞狀態(tài)，以及基于多種 RNA 判斷是否釋放載荷蛋白。隨著這套系統(tǒng)綜合考量越來越多的 mRNA，系統(tǒng)的計算能力進一步提升，也提高了系統(tǒng)的精確性。

（來源：http://www.o/）

“與當年的 CRISPR 優(yōu)化設(shè)計方向類似，接下來我們會設(shè)計幾百、幾千甚至幾百萬個向?qū)?RNA，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，然后通過深度學(xué)習(xí)模型進行大規(guī)模實驗篩選，找到性能最好的向?qū)?RNA，設(shè)計出功能表現(xiàn)最佳的 RADARS?！?a style="margin: 0px; padding: 0px; color: rgb(87, 107, 149); border: 0px; outline: 0px; -webkit-tap-highlight-color: rgba(0, 0, 0, 0); cursor: pointer; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important;">姜凱議說。

據(jù)悉，研究團隊在發(fā)文章之前已經(jīng)申請了相關(guān)專利，也有意向落地公司轉(zhuǎn)化。Omar Abudayyeh 在接受外媒采訪時也表示，目前還沒有成立公司，不過可能用不了太長時間。