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圖1. 光籠5'帽類似物用于光控mRNA翻譯示意圖（圖片來源：Nat. Chem.）

研究背景

信使RNA（簡稱mRNA）是一種參與蛋白質合成的單鏈RNA。mRNA的作用是將蛋白質信息從細胞核中的DNA傳送到細胞質，隨后讀取mRNA序列并將每個三堿基密碼子翻譯成其相應的氨基酸。真核生物mRNA具有特定的 5'帽結構，其通過5'-5'三磷酸橋將N7-甲基化鳥苷連接到第一個轉錄核苷酸。5'帽結構在翻譯起始中起關鍵作用，主要歸因于 N7 甲基化鳥苷對于翻譯起始因子eIF4E的特定識別。同時5'帽對于許多mRNA質控起關鍵作用，并保護真核mRNA免受外切酶降解。mRNA周轉和體內平衡需要專用的去蓋酶（Dcp1-2、DcpS）。5'帽與3'末端的poly(A)尾一起形成mRNA“閉環”，從而促進eIF4E和poly(A)結合蛋白之間的相互作用。沒有5'帽的RNA幾乎不翻譯，并且具有高度免疫原性。因此，用于生物學研究和治療應用的mRNA的生產通常涉及5'-加帽。

圖2. 真核生物mRNA翻譯啟動過程以及化學修飾的位點（圖片來源：Nat. Chem.）

關鍵合成步驟

作者通過在5'端鳥苷N²引入光裂解基團，其中氨基甲酸甲酯作為橋連物可在光作用下有效裂解。以鳥苷為起始反應物，首先使用三甲基甲硅烷基氯化物（Me₃SiCl）保護羥基。然后在一鍋反應中，將鳥苷的游離氨基轉化為異氰酸酯，通過與鄰硝基芐基 （ONB） 醇、3,4-二甲氧基- 2-硝基芐基（DMNB）醇、6-硝基胡椒基（NP）醇、6-硝基胡椒基-甲基（NPM）醇反應，形成光可裂解基團或紅移衍生物。之后用氨水（THF溶液）去除TMS基團以獲得光籠鳥苷。然后將光籠鳥苷在5'-OH處單磷酸化以產生圖二中6a,b化合物，甲基化后形成化合物7a,b，并與鳥苷-5'-二磷酸咪唑啉偶聯從而得到最終產物。

圖3. 具有光可裂解基團（FlashCaps）的帽類似物以及光觸發翻譯的整體合成思路（圖片來源：Nat. Chem.）

結構及性能分析

作者進一步分析了N²位置具有光可裂解基團鳥苷的吸收光譜。ONB鳥苷僅在300?nm以上顯示低吸光度，DMNB鳥苷在350?nm處顯示最大吸收，NP和NPM鳥苷略微紅移，在360?nm處達到最大值。為了選擇最適合生物應用的光可裂解基團，作者在中性pH的水溶液中照射并分析它們的減少以及天然鳥苷的形成的HPLC和LC-MS譜圖。結果表明，在365?nm處，短時間照射（5-15?s）足以去除10?μL 500?μM 溶液中的光裂解基團，釋放游離鳥苷。在 405?nm，NP、NPM和DMNB組在60?s后被有效去除，比ONB組更有效。在420?nm，NPM組在120?s后完全去除。因此，作者最終選擇了DMNB和NPM組進行進一步研究，并合成了各自的cap0類似物。生成的FlashCaps在N²位置包含DMNB或NPM基團。它們在300 nm以上的吸收光譜和它們的解籠罩動力學類似于各自的光籠鳥苷。其還還通過在細胞裂解物中孵育cap 0或FlashCaps，然后進行HPLC分析來評估氨基甲酸酯鍵的生物穩定性。FlashCaps在30小時內表現出高穩定性，表明氨基甲酸酯鍵不是裂解液降解的主要點。

圖4.  光可裂解基團 (FlashCaps)基本表征（圖片來源：Nat. Chem.）

隨后，作者評估了光可裂解基團如何影響5'帽與eIF4E的相互作用。在光籠帽存在的情況下，使用微量熱泳（MST）對FlashCaps和Cy5標記的eIF4E的結合測量發現沒有產生結合曲線。在相同條件下，光誘導去除光籠基后，則獲得了與帽0相似范圍內的特征結合曲線和Kd值（0.3?μM），表明帽0有效形成。作者同時還研究了光可裂解基團如何影響與帽修飾酶的相互作用。DcpS是一種焦磷酸酶，可在真核細胞中將帽結構水解為m7GMP和GDP。結果表明，與eIF4E的結果相似，DcpS——一種結合但非切割的脫帽酶變體——與cap0相互作用，但不與FlashCaps相互作用。

圖5. 光可裂解基團 (FlashCaps)修飾的mRNA基本表征（圖片來源：Nat. Chem.）

總結

隨著新冠的大爆發，信使RNA（mRNA）新冠疫苗再次成為研究熱點，其中以Moderna和BioNTech/Pfizer為代表，它們編碼刺突蛋白可有效防止SARS-CoV-2感染。mRNA技術不僅限于疫苗接種，還可改善自身免疫性疾病以及實現個性化的癌癥治療。然而，到目前為止，還沒有策略可以有效實現定時、定點mRNA表達，即在不改變mRNA性能的前提下控制特定組織的遞送和攝取。在本文中，研究人員開發了一種通過光控制mRNA翻譯的技術——FlashCaps。FlashCaps作為mRNA5'帽類似物，通過裂解氨基甲酸酯鍵連接的單個光籠基基團，導致快速有效地釋放天然結構。FlashCap-mRNAs具有以下優勢：（1）僅包含一個光可切割基團；（2）無光照時可暫停蛋白質翻譯；（3）定時、定點釋放天然 cap 0（無帽結構）-mRNA；（4）不改變mRNA自身序列；（5）不具有免疫原性。

圖6.  Andrea Rentmeister 教授（圖片來源：Muenster university）

Andrea Rentmeister教授在格拉茨大學和波恩大學獲得化學工程和化學專業博士學位，之后加入加州理工學院弗朗西斯·阿諾德實驗室（2018年諾貝爾獎獲得者）進行博士后研究。2010年成為漢堡大學生物化學初級教授。目前，她在明斯特大學擔任生物分子標記化學教授。致力于了解mRNA翻譯機制并最終控制其特定轉錄及翻譯。開發多種化學和化學酶促方法，對mRNA進行分子水平上操作、分析以及控制，并將其應用于活細胞以及體內。

圖7. Andrea代表奧地利參加2000年夏季奧運會參賽照片（圖片來源：Imago）

文章詳情：

Kl?cker, N., Weissenboeck, F.P., van Dülmen, M. et al. Photocaged 5′ cap analogues for optical control of mRNA translation in cells. Nat. Chem. (2022). https://doi.org/10.1038/s41557-022-00972-7

課題組網頁：https://www.uni-muenster.de/Cells-in-Motion/people/all/rentmeister-a.php

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