真核Toeholds (eToeholds)是基于RNA的工程控制元件，如本例所示，可被病毒“触发RNA”特异性激活，以合成报告蛋白，从而发出病毒存在的信号
在未来，eToeholds可用于设计更安全和更特异的RNA治疗、RNA诊断和策略，以丰富体外分化方法中的治疗细胞类型
学分:哈佛大学威斯学院 核糖核酸最广为人知的是将基因中编码的信息转化为具有无数活性的蛋白质的分子
然而，由于其结构的复杂性和相对稳定性，RNA作为一种有价值的生物材料也引起了极大的关注，它可以用来创造新类型的疗法、合成生物标志物，当然，还有我们从新冠肺炎大流行中学到的强效疫苗
将一个合成的RNA分子输送到细胞中，基本上是指示它产生一种所需的蛋白质，然后该蛋白质可以执行治疗、诊断和其他功能
研究人员面临的一个关键挑战是只允许导致特定疾病或受特定疾病影响的细胞表达这种蛋白质，而不允许其他细胞表达
这种能力可以显著提高体内蛋白质的产量，避免不必要的副作用
现在，由詹姆斯J
柯林斯博士
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在威斯生物启发工程研究所和麻省理工学院，已经开发出了eToeholds——一种内置于RNA中的小型通用设备，只有当细胞特异性或病毒RNA存在时，才能表达连接的蛋白质编码序列
eToehold设备为更有针对性的RNA治疗类型、体外细胞和组织工程方法以及人类和其他高等生物中各种生物威胁的感知开辟了多种机会
该发现发表在《自然生物技术》杂志上
2014年，科林斯团队与威斯核心学院成员尹鹏博士一起
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，成功开发了细菌的toehold开关，该开关在关闭状态下表达，并通过细菌蛋白质合成机器开启所需蛋白质的合成来响应特定的触发RNA
然而，细菌的脚趾设计不能用于更复杂的细胞，包括人类细胞，它们有更复杂的结构和蛋白质合成装置
科林斯说:“在这项研究中，我们采用了IRES(内部核糖体进入位点)元件，这是一种在某些病毒中常见的控制元件，利用真核蛋白质翻译机制，并从头开始将它们改造成多功能设备，这些设备可以被编程来感知人类、酵母和植物细胞中的细胞或病原体特异性触发核糖核酸。”
“eToeholds不仅可以在人类中，而且可以在植物和其他高等生物中实现更具体和更安全的RNA治疗和诊断方法，并可用作基础研究和合成生物学的工具
" 被称为“内部核糖体进入位点”的控制元件，简称IRESs，是在病毒RNA中发现的序列，允许宿主细胞的蛋白质合成核糖体接近病毒基因组中编码病毒蛋白质的序列旁边的片段
一旦锁定了核糖核酸，核糖体就开始扫描蛋白质编码序列，同时通过在生长末端依次添加相应的氨基酸来合成蛋白质
共同第一作者埃文·赵博士说:“我们通过引入相互结合的互补序列来改造IRES序列，形成抑制性碱基配对结构，从而防止核糖体结合IRES。”
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，柯林斯团队的博士后研究员
“eToeholds中的发夹环编码序列元件被设计成与与已知触发RNA互补的特定传感器序列重叠
当触发RNA出现并与它在eToeholds中的补体结合时，发夹环就会断开，核糖体就可以开始工作并产生蛋白质
" 赵与共同第一作者、怀斯技术开发研究员毛安杰洛博士合作
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该项目使他们能够将各自在合成生物学和细胞工程领域的专业知识结合起来，在IRES序列的操纵方面开辟新天地
在一个快速迭代的过程中，他们能够设计和优化在人类和酵母细胞中起作用的eToeholds，以及无细胞蛋白质合成分析
与对照核糖核酸相比，他们在存在合适的触发核糖核酸的情况下，实现了高达16倍的荧光报告基因的诱导
“我们设计了eToeholds，专门检测人类细胞中寨卡病毒感染和新型冠状病毒病毒RNA的存在，以及由细胞特异性RNA触发的其他eToeholds，例如，只在皮肤黑素细胞中表达的RNA，”Mao说
“重要的是，eToeholds和编码与其相连的所需蛋白质的序列可以被编码在更稳定的DNA分子中，当引入细胞时，这些DNA分子会被转化为RNA分子，这些RNA分子是根据我们想要表达的蛋白质类型量身定制的
这扩大了向靶细胞递送上皮细胞的可能性
" 研究人员认为，他们的eToehold平台可以帮助将RNA疗法和一些基因疗法瞄准特定的细胞类型，这一点很重要，因为许多这样的疗法都受到过度的非目标毒性的阻碍
此外，它可以促进体外分化方法，引导干细胞沿着发育途径产生用于细胞治疗和其他应用的特定细胞类型
干细胞和中间细胞沿许多分化细胞谱系的转化通常不是很有效，而胚胎干细胞有助于丰富所需的细胞类型
“这项研究强调了吉姆·科林斯和他的团队如何在怀斯活细胞设备平台上开发创新工具，可以推进更具体、安全和有效的核糖核酸和细胞疗法的发展，从而对许多患者的生活产生积极影响，”怀斯创始董事唐纳德·英格博说
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博士
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，他也是哈佛医学院和波士顿儿童医院的犹大·福克曼血管生物学教授，以及哈佛大学约翰·阿的生物工程教授
保尔森工程和应用科学学院
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