夏青团队和石玉杰博士合作利用非天然氨基酸离子液体提高基因密码子扩展系统通读无义突变疾病效率

2024年1月30日，我室夏青教授团队与石玉杰博士合作在advanced science上在线发表了题为“Unnatural Amino Acid-Based Ionic Liquid Enables Oral Treatment of Nonsense Mutation Disease in Mice”（ 利用口服离子液体-非天然氨基酸提高基因密码子扩展系统通读无义突变疾病效率）的研究工作。

夏青团队基于蛋白质翻译终止机制的研究，利用基因密码子拓展技术（GCE）中的重要元件，即工程化“tRNA-aaRS”正交系统恢复模型小鼠中致病基因的表达。该研究验证了基因密码子拓展系统能够在模型动物体内稳定表达，并可以精准通读内源性的无义突变位点，恢复致病蛋白的全长表达，起到缓解疾病症状的疗效，既提出了一种通用型无义突变疾病治疗的新方法。

然而，基因密码子扩展系统中的非天然氨基酸（UAA）在血清中代谢迅速以及难以在靶器官或靶组织中有效富集，限制了现有策略的潜在应用。离子液体是由有机阳离子与无机或有机阴离子在一定条件下形成的液态混合物，具有稳定性高、电导性高等特性。夏青团队与石玉杰博士合作将制备非天然氨基酸离子液体，采用一种简单而经济的策略来优化UAA底物形式，实现无创而高效的口服给药，显著提高了UAA在体内的暴露及其在靶细胞中的利用率，并观察到更为快速、稳定和持久的蛋白恢复表达。

图1 非天然氨基酸离子液体的制备与鉴定

该研究在细胞水平上证实了基于UAA的离子液体可提高UAA在细胞内的保留，同时在UAA-tRNA机制中可能发挥自催化作用，从而提高氨酰化效率，使得UAA蛋白翻译效率提高达20%。在动物层面，基于UAA的离子液体口服制剂显著提高了UAA的口服生物利用度（10倍）和病灶组织内的积累（增加13倍），增加了UAA的体内暴露量。在整合有基因密码子扩展技术的转基因动物上，口服基于NAEK的离子液体ChNAEK制剂后，转基因小鼠的心脏(27%)、脑(10%)、胃(42%)和肌肉(29%)组织中报告蛋白GFP的表达明显高于NAEK水溶液组(低于6%)。对DMD疾病模型mdx小鼠注射了携带基因密码子扩展系统的AAV，并进行了为期四周的ChNAEK口服治疗，结果显示ChNAEK制剂具有良好的治疗潜力，可恢复40%的肌营养不良蛋白表达，恢复75%的正常纤维功能，血清肌酸激酶(CK)水平随着治疗时间的推移显著降低，同时小鼠的握力增加，表现出良好的长期安全性。

图2 非天然氨基酸离子液体在转基因小鼠上的验证

北京大学药物分析教师石玉杰博士、博士研究生史宁宁和杨月麟共同第一作者，郑哲涛也做出了重要贡献，石玉杰老师也是该文章的共同通讯作者。该研究受到国家科技部新药创制重大项目和国家自然科学基金等经费的支持。此项研究已授权中国专利，已申报国际PCT专利。

论文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202306792

【作者简介】

夏青，北京大学药学院长聘教授，医学博士，博士生导师。研究方向为前沿生物技术与再生医学，主要从事工程细胞和类人器官中的蛋白质翻译机器与元件的系统改造，实现工程细胞与干细胞内的碱基、氨基酸和聚糖分子的精确替换。针对单基因病无义突变类型的治疗，制备新型蛋白质翻译机器，提高基因解码效率，控制蛋白翻译速度。这些应用会改变对单基因病点突变的理解，为治疗带来了新的理念。

石玉杰，药剂学博士，北京大学药物分析学系教师。毕业于中国药科大学药学院，北京大学药剂学博士，美国哈佛大学工程与应用科学院访问学者。先后在制药企业、北京大学药学院药物分析和药剂系从事研究工作。担任人民卫生出版社《药物分析》第9版教材编委、Chinese Chemical Letters Drug Delivery栏目青年编委、中国整形美容协会形塑与综合技术转化分会理事。主要研究方向为难溶性药物和大分子药物新型口服递送系统、口服吸收机制与策略研究。