Science丨李博文团队通过非病毒递送化学修饰 tRNA，给“提前终止”的蛋白质合成重新按下启动键

2023 年诺贝尔生理学或医学奖授予 Katalin Karikó 和 Drew Weissman ，以表彰他们关于核苷碱基修饰的发现。这项工作证明，在 mRNA 中引入假尿苷等修饰，可以减少不必要的先天免疫激活并提高蛋白质表达，为高效 mRNA 疫苗奠定了基础。

但不同 RNA 并不能套用同一套修饰配方。 mRNA 负责携带蛋白质编码信息， tRNA 则是结构精密的 “ 分子译码器 ” ，既要被氨酰 -tRNA 合成酶识别并装载氨基酸，又要进入核糖体完成密码子解码。一个修饰可能提高活性，也可能破坏 tRNA 的折叠和功能。

2026 年 8 月 27 日， 多伦多大学李博文教授团队 在 Science 发表研究论文 Nonviral delivery of chemically modified tRNA rescues nonsense mutations in cystic fibrosis （ Haissi Cui 为文章共同通讯作者； Jingan Chen ， Muye Zhou 和 Songtao Dong 为文章 共同 第一作者） 。团队将位点特异性的tRNA化学修饰与肺部脂质纳米颗粒递送相结合，在细胞、小鼠和患者来源类器官中恢复了囊性纤维化跨膜电导调节因子CFTR的表达与功能。

这项研究传递出一个清晰的信息： mRNA 领域已经证明化学修饰能够改变 RNA 药物性能，但成功的 mRNA 修饰配方不能直接照搬到 tRNA 。对于治疗性 tRNA ，关键是在正确的位置引入正确的修饰。

sup-tRNA：让被提前终止的翻译重新开始

无义突变会把正常的氨基酸密码子变成提前终止密码子，也称PTC。核糖体读取到 PTC 后会过早停止翻译，产生截短且通常没有功能的蛋白质；异常 mRNA 还可能被无义介导的 mRNA 降解机制清除。论文指出，无义突变约占人类遗传性疾病致病变异的 11% 。约 10% 的囊性纤维化患者携带 CFTR 无义突变，这些患者通常难以从依赖全长 CFTR 蛋白发挥作用的现有调节剂中获益。

抑制型 tRNA ，也称 sup-tRNA ，通过改变反密码子来识别 PTC 。进入细胞后，它由内源性氨酰 -tRNA 合成酶装载氨基酸，并在 PTC 位置与释放因子竞争。竞争成功后，核糖体插入一个氨基酸并继续翻译，从而恢复全长蛋白，同时可能减轻无义介导的 mRNA 降解。

这一过程需要同时满足三个条件： sup-tRNA 必须保持正确折叠，能够被相应的合成酶高效装载，还要在读取 PTC 的同时尽量避免读取正常终止密码子。因此， PTC 周围序列、插入氨基酸、 tRNA 结构和化学修饰都会影响疗效。

相比直接递送mRNA，sup-tRNA有什么不同？

直接递送 mRNA 是向细胞提供一份完整的外源蛋白编码模板。 sup-tRNA 不携带整段蛋白序列，而是修复细胞对内源性突变 mRNA 的读取过程，因此具有几项潜在优势。

首先， sup-tRNA 的大小不随目标蛋白增大。递送超大蛋白时， mRNA 必须包含很长的开放阅读框，完整合成、包封和胞质释放更具挑战； sup-tRNA 只有约几十个核苷酸，不需要递送整条蛋白编码序列。

其次， sup-tRNA 利用内源性 mRNA 产生蛋白，可以保留原有的组织表达模式、剪接形式和转录后调控。若在突变位点插入原本应有的氨基酸，细胞有机会恢复序列正确、由自身翻译和加工系统产生的全长蛋白，从而更好地保留天然蛋白的定位和功能。

再次，化学修饰后的 sup-tRNA 可以反复参与多轮翻译。本研究中，外源 NanoLuc mRNA 到第 14 天已降至第 1 天的 1% 以下，而 m1A58 修饰的 sup-tRNA 表观半衰期约为 29 天。在 CFTR R1162X 支气管上皮细胞中， CFTR 恢复超过 40 天，在最长细胞观察窗口中接近 7 周。这意味着 sup-tRNA 可能极大降低临床患者的给药频率。

最后，一种 sup-tRNA 有望治疗共享同一类无义突变的多种疾病。更准确地说，这是一种由突变定义、在一定条件下与疾病名称和基因无关的治疗模式。例如，同一种精氨酸 sup-tRNA 可以识别不同基因中的 Arg-TGA 变异，并重新插入精氨酸。其适用范围仍取决于原始氨基酸、终止密码子、局部序列和靶组织递送，而不是对所有无义突变普遍有效。

这一思路也开始进入产业转化。比如美国 Alltrna 公司的 AP003 是面向肝脏 Arg-TGA 无义突变的化学修饰 tRNA-LNP 药物，目前正在澳大利亚健康志愿者中进行一期研究。该公司计划后续探索按共享 Arg-TGA 变异入组的 basket trial ，候选疾病包括苯丙酮尿症、有机酸血症和尿素循环障碍。 sup-tRNA 药物 的开发逻辑正在从 “ 一种疾病一种药 ” 转向 “ 一个共享突变连接多种疾病 ” 。

mRNA中成功的假尿苷，为何不能直接用于tRNA？

研究团队以识别 UGA 的甘氨酸 sup-tRNA 为起点，在不同结构区域引入化学修饰，共构建 14 种变体。结果显示，修饰效果高度依赖种类和位置。

其中，第 57 或 58 位的 N1- 甲基腺苷修饰，即 m1A57/58 ，表现最为突出。含 m1A57 的甘氨酸 sup-tRNA 变体 tGM6 ，其 PTC 通读活性达到未修饰版本的 2.4 倍。将 m1A58 引入精氨酸 sup-tRNA 后得到的 tRM6 ，通读活性提高约 10.6 倍，氨酰化效率达到未修饰版本的 1.7 倍。

假尿苷则产生了相反结果。将 tRNA 中的尿苷全部替换为假尿苷后， tGM10 的通读活性仅为未修饰版本的约 0.2 倍，氨酰化水平从约 30% 降至约 11% 。即使只在反密码子第 34 位引入假尿苷，通读活性也下降至约 0.6 倍。

这并不意味着假尿苷普遍不适用于 tRNA 。天然 tRNA 本身就含有假尿苷和多种其他修饰。真正的区别在于， tRNA 功能高度依赖精确的三维结构和酶识别，不能像 mRNA 那样简单采用广泛核苷替换。 m1A58 的优势来自对 tRNA 结构、氨基酸装载和稳定性的协同改善。

为tRNA重新设计肺部LNP

优化 tRNA 后，研究团队继续解决递送问题。团队利用自动化合成构建了 1000 种可离子化脂质，并平行比较同一材料库对 sup-tRNA 和 mRNA 的递送能力。两者的结构活性关系只有较弱相关性，说明适合 mRNA 的脂质未必适合 tRNA 。

研究人员随后在覆盖人工黏液的人支气管上皮气液界面模型中筛选，最终获得 TTP-3 。经配方优化后， TTP-3 LNP 在人工黏液中的扩散和小鼠肺部 sup-tRNA 递送均优于 A10-LIN 和 MC3 对照。

荧光追踪显示， TTP-3 递送产生的 tRNA 阳性细胞中约 60% 为肺上皮细胞，而 MC3 主要进入内皮细胞。 TTP-3 还可进入纤毛细胞、 club 细胞、基底细胞和高表达 CFTR 的离子细胞。团队也完成了初步雾化测试，但雾化后的活性仍有所下降，吸入制剂仍需继续优化。

从细胞到患者来源类器官

在携带 CFTR G542X 或 R1162X 突变的人支气管上皮细胞中， m1A58 修饰的 tRM6 恢复了 CFTR 蛋白和离子通道功能。核糖体测序未发现正常终止密码子下游出现全局性信号增加，提示在本研究条件下非目标通读较低。这种选择性与终止密码子所处的分子环境有关：正常终止密码子位于 3′UTR 和 poly(A) 相关的终止环境中， poly(A) 结合蛋白 PABP 与释放因子 eRF1/eRF3 协同促进翻译终止，使释放因子能够高效竞争 sup-tRNA ； PTC 则位于编码区，通常远离这套 PABP 辅助的终止机制，因此更容易被 sup-tRNA 读取。

在 CFTR R553X 小鼠中，三次气管内给药后， tRM6 与 TTP-3 的组合使肺组织 CFTR mRNA 恢复最明显。在小鼠来源肠道类器官中，该组合也产生了最强的 CFTR 功能恢复。

研究团队进一步测试了一名携带复杂 CFTR 基因型患者的肠道类器官。 G418 或 Trikafta 单独处理均未有效恢复 CFTR 功能， LNP-sup-tRNA 单独处理仅产生较小且无统计学显著性的改善； LNP-sup-tRNA 与 Trikafta 联用后， CFTR 介导的离子转运显著增强。其机制具有互补性： sup-tRNA 先恢复全长 CFTR 合成， Trikafta 再帮助蛋白折叠、运输并改善通道活性。

这一患者类器官结果属于单例概念验证，仍需在更多患者和基因型中重复。小鼠安全性研究显示， 1 和 3 mg/kg 剂量组的炎症指标接近对照，较高剂量引起的炎症大多在第 14 天回落，未检测到明显肝毒性。

这项研究的意义

这项研究建立了两层相互配合的工程策略。第一层是tRNA本身的工程化：位点特异性的m1A58修饰提高氨酰化、通读效率和功能持续时间。第二层是递送材料的工程化：针对tRNA重新筛选和优化LNP，使其更有效地穿过气道黏液并进入表达CFTR的肺上皮细胞。

两者结合后，研究人员在细胞、小鼠和患者来源类器官中观察到 CFTR 表达或功能恢复。其意义也不限于囊性纤维化。同一种经过优化的 sup-tRNA ，理论上可以处理不同基因和疾病中共享的无义突变，为突变定义的跨疾病治疗提供一个可扩展的平台。

从 Karikó 和 Weissman 对 mRNA 核苷修饰的开创性发现，到面向 tRNA 的位点特异性化学工程，RNA药物正在进入更精细的设计阶段。关键问题不再只是“RNA能否被修饰”，而是“哪一种RNA、哪一个位置、哪一种修饰，以及由什么材料送达哪一类细胞”。

原文链接：10.1126/science.aeb0054

制版人： 十一

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