An intersectional expression platform for gene complementation using RNA-fragment end joining (REJ)
本文提出了一种工程化 RNA 片段末端连接（REJ）平台，该平台利用结构化模块化 RNA 片段将分离的 RNA 单位高效拼接成功能性 mRNA，从而在无需大量筛选的情况下实现稳健的基因互补、交集细胞标记以及大蛋白质的表达。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是一篇未经同行评审的预印本的AI生成解释。这不是医疗建议。请勿根据此内容做出健康决定。 阅读完整免责声明
在每个生物体的细胞内部，一条复杂的流水线正在不断运作，用于构建维持生命运转的蛋白质。这一过程始于一套写在 DNA 中的指令，这些指令被复制成一种被称为 RNA 的临时信息。在利用这条信息构建蛋白质之前，必须对其进行编辑。细胞拥有一种天然的机制，其作用类似于一把剪刀和一把胶枪，负责剪掉不必要的片段，并将剩余的部分缝合在一起，形成一条单一且连续的链。这种编辑步骤是如此可靠，以至于科学家长期以来一直依靠它来理解基因是如何工作的。然而，这种机制通常只能作用于单条连续的 RNA 链。它通常拒绝将两个偶然漂浮在一起的独立、游离的 RNA 片段缝合在一起，这是一种保护机制，旨在防止细胞意外产生混乱、无意义的指令。
对于研究人员而言，这种对连接分离链条的自然拒绝构成了一个显著的障碍。许多基因由于体积过大，无法装入被称为“病毒载体”的微型运输工具中，而科学家正是利用这些载体将新的遗传物质引入体内。当一个基因太大时，必须将其拆分为较小的片段并分别递送，但细胞的天然机制往往无法正确地重新组装它们。这种局限性迫使科学家开发复杂的替代方案，涉及引入外源蛋白质或化学反应，而这些方法有时会引发不希望出现的免疫反应，或留下杂乱的遗传“疤痕”。问题在于，是否可能通过某种方式诱导细胞自身的天然编辑工具，从而高效且干净地将分离的 RNA 片段连接在一起，而无需引入任何外源试剂。
来自索尔克研究所（Salk Institute）的一个研究小组现在开发出了一套完全实现这一目标的系统。他们设计了一种被称为 RNA 末端连接（RNA end-joining，简称 REJ）的方法，该方法允许细胞将两条独立的 RNA 链缝合为一条功能性的信息。成功的关键在于设计了一个包含约 250 个遗传字母的小型合成模块。这些模块充当了桥梁。当附着在两条独立 RNA 链的两端时，它们会折叠成特定的形状并相互抓取，从而将这两条链拉近。一旦这些链被固定在原位，细胞自身的天然剪接机制就会识别出这种连接，并执行缝合操作，将这两个部分连接成一个完美的、连续的 RNA 分子。
研究人员通过拆分一个产生发光黄色蛋白质的基因，将其变为两个独立的、无功能的半段来测试这一系统。当他们将这两个半段与特殊的桥接模块一起递送到细胞中时，细胞成功地重新组装了指令，并开始发出明亮的光芒。团队发现，这种方法具有极高的精确度。生成的蛋白质与由单个未拆分的基因所产生的蛋白质完全一致，没有因连接过程而留下任何多余或缺失的部分。这种“无疤痕”的结果相比于其他经常留下微小且可能具有破坏性的连接机制残留物的方案，具有显著优势。此外，由于该系统完全依赖于细胞自身的内部工具，因此不需要引入可能引起免疫系统警觉的外源蛋白质。
为了确保系统的安全性和可靠性，科学家对其进行了严格测试。他们检查了这些桥接模块是否会意外抓取细胞内的错误 RNA 链，从而可能导致细胞产生有害的、混乱的蛋白质。即使在极端条件下，即在大量 RNA 存在的情况下强制系统运行，这些桥接模块仍保持了高度的选择性，几乎只与正确的伙伴进行连接。研究人员还观察了该系统是否会触发细胞的免疫防御警报。他们发现没有任何证据表明存在此类反应；细胞生长和功能正常，其内部遗传图谱与未接受处理的细胞相比也未发生变化。
该平台的多功能性或许是其最引人注目的特征。研究人员展示了他们可以利用它来重新组装各种大型基因，包括那些对视觉和肌肉功能至关重要的基因，而这些基因通常由于体积过大而无法使用标准递送方法。他们成功重建了一个涉及一种被称为“Stargardt 病”失明症的大型蛋白质，其产生的全蛋白水平与使用其他先进方法所达到的水平相当，但产生的无用碎片却少得多。该系统还能够按正确顺序连接三个独立的 RNA 片段，这为更复杂的基因工程打开了大门。
除了仅仅修复损坏的基因外，这项技术还提供了一种全新的方式，可以精确控制基因在何时以及何处开启。由于基因的两个半段只有在同一个细胞内同时存在时才会重新组装，因此科学家可以使用该系统来创建遗传“逻辑电路”。例如，一个基因可以被设计为仅在两种不同的生物信号同时存在时才发挥作用，从而允许研究人员针对复杂组织中的特定类型细胞进行精准打击。团队还开发了一个数字工具，帮助其他科学家设计这些定制的遗传电路，使这项技术能够广泛应用于各类未来的研究。
这项工作代表了在精确且安全地操纵遗传信息方面迈出的重要一步。通过利用细胞自身的天然机制并以简单的合成 RNA 桥进行引导，研究人员创造了一种既高效又具有广泛适用性的方法。它提供了一种输送此前无法运输的大型治疗性基因的方法，并为理解基因在复杂生命细胞景观中如何相互作用提供了全新的工具包。研究结果表明，这种方法有望成为基因治疗和生物研究的标准方法，为在人体内修复或替换遗传指令提供一种干净、可靠且安全的方式。
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