无义突变（nonsense mutations），即蛋白编码序列中的有义密码子变为提前终止密码子（premature termination codon，PTC）的一种DNA 突变类型，其引发了大约11%的人类遗传病。
转运RNA（tRNA）是mRNA翻译为蛋白质的关键执行者，tRNA通过自身的反密码子识别mRNA上的密码子，并将该密码子对应的氨基酸转运至核糖体合成中的多肽链上，从而实现mRNA向蛋白质的翻译过程。
早在40多年前，简悦威（Yuet Wai Kan）教授就率先提出了通过抑制性tRNA（suppressor-tRNA，简称sup-tRNA）来治疗β-地中海贫血的方法。sup-tRNA能够诱导无义突变的通读，它与天然tRNA的序列大部分相同，但它的反密码子通过碱基配对原则可以识别终止密码子（UAG、UGA、UAA）。因此在蛋白质翻译过程中遇到PTC时，sup-tRNA可以引入对应的氨基酸到正在合成的肽链中，诱导通读从而获得有功能的全长蛋白。
然而，基于这一原理的tRNA疗法由于疗效不足、无法达到治疗阈值，以及安全性不足等问题的存在，尚未进入临床试验阶段。
2023年5月31日，德国汉堡大学、Arcturus Therapeutics、美国埃默里大学的研究人员合作，在Nature期刊发表了题为：Engineered tRNAs suppress nonsense mutations in cells and in vivo 的研究论文。
该研究通过LNP递送的工程化tRNA，在体外和体内成功抑制了无义突变，证明了天然tRNA可以被修饰并有效解码临床上重要的无义突变，且具有高安全性。
tRNA结构
抑制性tRNA（sup-tRNA）疗法面临障碍是，并不是每个天然tRNA都可以通过改变其反密码子而被改造成sup-tRNA，部分原因是在真核生物中，对有义密码子的解码与终止密码子明显不同。此外，提前终止密码子（PTC）会激活mRNA监视通路，从而导致突变的mRNA被降解。这些原因导致sup-tRNA可能无法建立理想的碱基互补配对结合，从而导致无法有效解决翻译的提前终止和mRNA的降解。
因此，基于tRNA的基因治疗尚未产生临床疗效和安全性的最佳组合，也没有针对无义突变患者的治疗方法。
在这项最新研究中，研究团队提出了一种将天然tRNA改变为有效的抑制性tRNA（sup-tRNA）的策略，通过单独微调其序列以适应其携带的氨基酸的物理化学性质。利用天然tRNA的功能保守特征和反密码子外的调节序列，研究团队重新利用细菌tRNA，使其在终止密码子UGA上完全结合丙氨酸，其密码子-反密码子相互作用类似于有义密码子解码tRNA的形成的碱基互补配对结构。
研究团队还是用了一种新型LNP系统LUNAR来封装sup-tRNA，构建了安全的LNP-sup-tRNA。LUNAR系统是由Arcturus Therapeutics开发的新型LNP递送系统，其具有卓越的生物可降解能力，因此在体内具有更好的安全性。通过静脉注射或吸入LNP-sup-tRNA，能够恢复小鼠体内无义突变的功能蛋白的产生，且LNP-sup-tRNA在内源性天然终止密码子上没有明显读出。
此外，研究团队还在人类细胞中进行了验证。囊性纤维化（CF）是一种遗传性外分泌腺疾病，主要影响胃肠道和呼吸系统，由CFTR基因突变所致，在发生CFTR提前终止密码子基因突变（PTC-CFTR）的人类患者细胞中，优化的sup-tRNA能够恢复其蛋白表达和功能，以及气道体积稳态。而且，这一过程无需抑制无义突变介导的mRNA降解。
这项研究为开发基于tRNA的基因疗法提供了新的框架，能够在体内高效抑制提前终止密码子（PTC），恢复蛋白表达，且具有高安全性。
值得一提的是，2022年3月，美国麻省大学高光坪教授、王丹教授等在Nature期刊发表论文【2】。
该研究首次成功地利用重组腺相关病毒（rAAV）将抑制性tRNA（sup-tRNA）递送到体内，诱导蛋白翻译在无义突变处的通读，并在黏多糖贮积症I型（MPS-I，Hurler综合征）UAG无义突变小鼠模型上取得了长期、稳定、安全的疗效。
近年来，基于tRNA的基因治疗正在成为新的风口，2021年以来，已有多家治疗性tRNA公司完成大额融资，包括 Alltrna、ReCode Therapeutics、Shape Therapeutics、Tevard Biosciences、hC Bioscience。
所有这些公司都专注于或部分专注于tRNA疗法，通过设计工程化tRNA，让其携带正确的氨基酸并引入到提前终止密码子（PTC）的位置，让蛋白质继续翻译下去，从而达到治疗疾病的目的。
据估计，大约11%的遗传疾病是由于提前终止密码子（PTC）所致，因此，理论上仅需一个这种抑制性tRNA（sup-tRNA）就可以消除这种无义突变导致的翻译提前终止，从而治愈数千种不同的遗传疾病。
这些新的研究成果，正在为基因治疗打开一扇全新的大门。
论文链接：
1. https://www.nature.com/articles/s41586-023-06133-1
2. https://www.nature.com/articles/s41586-022-04533-3
