RNA 編輯崛起,不再屈居 CRISPR 之下?專訪 Joshua Rosenthal 教授

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自從 CRISPR 技術發展以來,基因編輯長久都被 CRISPR 的光環佔據,但近年 RNA 編輯逐漸興起,更有著能顛覆基因編輯世界的潛力。「多虧了 COVID-19 疫苗,現在每個人都知道 mRNA。 RNA 變成了超級明星,但在過去 10 年以前,人們對它並不那麼熟悉。」芝加哥大學(University of Chicago)海洋生物實驗室的神經生物學家 Joshua Rosenthal 教授說道。

作為一名 RNA 和頭足類生物科學家,Rosenthal 教授從事許多研究關注海洋生物體內的自然 RNA 編輯機制,近年更成立新創公司 Korro Bio,主力發展 RNA 編輯,發揮 RNA 技術的臨床潛力。基因線上編輯團隊獨家專訪 Rosenthal 教授, 探究最新 RNA 編輯在基礎研究到臨床應用之趨勢。 

從魷魚神經元發現自然 RNA 編輯

Rosenthal 教授接觸 RNA 編輯的淵源,可以回溯到他的博士論文階段,當時他進行生物物理學研究,以生理學家 Alan Hodgkin、Andrew Huxley 提出的離子通道機制為主題,探討魷魚的巨大軸突(giant axon)如何傳遞動作電位。

「當時我試著複製魷魚的鈉、鉀離子通道,但一直沒辦法取得完整的互補 DNA(cDNA)。剛好那段時間碰上神經生理學家 Peter Seeburg 發表一份研究,首度提出 RNA 編輯和麩胺酸受體(glutamate receptor)的關係。我才終於想通原來是 RNA 編輯導致互補 DNA 出現了核苷酸殘基。」Rosenthal 教授說道。  

「接著我在不同蛋白質上做了很多 RNA 編輯的嘗試,後來在戈登會議(Gordon Conference)上我認識了優秀的生物資訊學家 Eli Eisenberg 教授,展開了研究頭足類動物的計畫。」於是兩人在魷魚的神經轉錄組中發現了超過 100,000 個 RNA 編輯位點,這還只是具有轉譯蛋白質的功能片段而已。Rosenthal 教授笑稱這已經比其他生物高過好幾個數量級。

由 RNA 基礎研究轉往臨床應用

Rosenthal 教授研究初期多投注在 RNA 分子機制的基礎研究上,但這些實驗需要昂貴的設備器材,也仰賴資助單位的資金,因此在 2000 年左右,他開始把注意力轉往 RNA 編輯的實際應用。早在 CRISPR 盛行以前,Rosenthal 教授就意識到 RNA 編輯的治療用途。2000 年初期也正好是 RNA干擾(RNAi)機制被提出的時期,這間接影響 Rosenthal 教授在波多黎各大學(University of Puerto Rico)擔任教授時,設計了以 RNA 導引編輯特定疾病基因片段的系統。

Rosenthal 教授回憶,「我們在大家都還沒開始關注 RNA 編輯時的那些年獨自努力,後來 CRISPR 引起炫風般的大革命,RNA 編輯也開始獲得重視。可以說一開始我們是為了募得資金而努力,後來回頭看卻成了一項有趣的嘗試。」

RNA 可編程性(programmability)治療暫時性疾病優勢

許多臨床治療著眼罕見遺傳性疾病或永久病症,對於這類疾病,創新技術如 CRISPR 很快就獲得矚目,但是 Rosenthal 教授認為 RNA 編輯的潛力更大,「RNA 編輯的暫時性與可編程性(programmability)是兩項重要的特質。」因為對於短期疾病治療而言,如果用永久性的基因編輯來解決顯得太多餘;在這一點上,RNA 編輯是佔有優勢的。

要治療那些維持數天、數個月的疾病,通常採取緩解疼痛的治療方式,例如小分子藥物阿斯匹靈(aspirin),患者需要在一定時間間隔重複服用,又或者能有效緩解疼痛的鴉片類藥物,也可能產生成癮的負面效果。因此若能用既存人體體內的 RNA 發展出短時間內不具成癮性的療法,將非常具有價值。 

RNA Editing vs. CRISPR

說起 RNA 編輯與 CRISPR 的比較,Rosenthal 教授指出 CRISPR 運用的編輯蛋白 Cas9 來自於細菌,而且大部分 CRISPR 技術仍只能在體外進行。相較之下,RNA 編輯蛋白 ADAR( Adenosine deaminases acting on RNA)天然存在許多生物體中,這意味著不需要外來切割蛋白的輔助之下就能執行 RNA 編輯的功能。Rosenthal 教授認為這項特質也使得 RNA 編輯在相關療法的核准上更有優勢。

CRISPR 還有脫靶效應(off-target)的隱憂,儘管 RNA 編輯也不能完全避免這個現象,但它不像 DNA 編輯會對基因組產生永久更動的嚴重影響。另外相較 DNA 編輯在分化初期的細胞較有效, RNA 編輯更適合在分裂期後(post-mitootic)細胞中作用,例如再生能力差的神經細胞。

Rosenthal 教授分享 RNA 編輯勝出 DNA 基因治療的另一點,是能夠動態調節基因表現。因為隨著單細胞定序進展,現在已知不同細胞群在基因表現上差異性很大,而過往基因治療以組織、器官為單位,要調節單一基因表現難度很高,RNA 編輯則能夠做到更彈性調節基因,也不用擔心基因過度表現(over-expression)或低度表現(under-expression)。

RNA 編輯領域新創崛起

Rosenthal 教授提及,5 年前發展 RNA 編輯的新創公司仍相當少見,除了荷蘭生技公司 ProQR Therapeutics,如今這個領域已吸引大量資金投入,包含 Rosenthal 教授推動成立的 Korro Bio。Korro Bio 總部位在美國麻州劍橋,該公司已經在去年完成 9,150 萬美金 A 輪募資,也成功吸引到生技創投 Atlas Venture 投資。     

美國其他知名發展 RNA 編輯的新創,包含同樣位在麻州劍橋的 Beam Therapeutics,以及位在華盛頓州西雅圖的 Shape Therapeutics,以及加州聖地牙哥的 ADARx Pharmaceuticals。 

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編輯蛋白 ADAR 的應用挑戰

RNA 編輯發展不是毫無阻礙,隨著新興療法走向越來越體積小的治療途徑,RNA 編輯也面臨到需要改善編輯系統大小的挑戰。Rosenthal 教授預期未來 FDA 核准以寡核苷酸(oligonucleotide)為基礎的療法中,長度很少會大於 20 個核苷酸。

「我認為主要的發展阻礙,是需要設計出對 ADAR 有效的、小的引導 RNA(guide RNA);另一種解決方法,則是設計一個系統能將 ADAR 的催化區域和反義 RNA(antisense RNA)結合,用來引導 RNA,這個構造也能夠形成雙股 RNA 穩定 ADAR 的活性。」Rosenthal 教授分析道。

人體內有兩種 ADAR 基因,但並不是所有細胞的都有完整的基因表現,此外,人體內生的 ADAR 蛋白不會編輯所有的腺苷(adenosine),致使 RNA 編輯效率偏低。因此,藉由工程化 ADAR (engineered ADARs) 則能夠有效改善這些困境。Rosenthal 教授與來自加州大學戴維斯分校(UC Davis)的結構生物學家 Peter Beal 博士共同合作,Beal 博士的研究專長即為工程化 ADAR 技術。 

Rosenthal 教授特別提到一個工程化 ADAR 的案例,以E488Q 突變點為例,它能提高 ADAR 催化的活性,但是會導致更多脫靶現象。為了克服這個問題,Beal 博士團隊對 ADAR 不同殘基進行誘導突變,儘管這會降低整體編輯效率,但能有效改善脫靶的發生機率。

RNA 編輯未來發展

ADAR 並不是唯一能夠進行 RNA 編輯的編輯蛋白,其他如 AID/APOBEC 胞苷去胺酶(cytidine deaminase)和 tRNA 腺苷脫氨酶(adenosine deaminase)也可以編輯 mRNA,Rosenthal 教授認為這些編輯蛋白技術還有可以改良的空間。

身為一位海洋生物領域研究者,Rosenthal 教授經常觀察海洋環境,他也相信大自然中還潛藏很多關於新型  DNA 或 RNA 編輯的線索。「我仍然對魷魚中的 RNA 編輯如此多產感到驚訝。 一旦我們弄清楚這一點,我認為我們將可以利用這些經驗開發新的療法。這說明了,如果你偶然發現了一些奇怪的東西,那裡可能有一座仍未開發的金礦。」Rosenthal 教授總結道。

採訪、作者:Rajaneesh K. Gopinath
編譯:Kathy

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參考資料:
1. https://www.geneonline.com/years-after-playing-second-fiddle-to-crispr-rna-editing-comes-into-its-own-an-interview-with-dr-joshua-rosenthal/

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