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近日，美国麻省理工学院化学系和Broad研究所的王潇团队在Nature Biotechnology上发表了一篇题为“Chemical and topological design of multicapped mRNA and capped circular mRNA to augment translation”的研究论文。这项研究通过开发新的mRNA设计和优化方法，大幅提升了mRNA药物在细胞和小鼠体内的蛋白表达水平，具有重要的意义。
信使RNA（mRNA）作为一种新兴的药物，由于其具备优越的可编程性和安全性，广泛应用于疫苗、肿瘤免疫疗法、基因治疗和蛋白质替代疗法等领域。然而，传统mRNA药物的半衰期较短且蛋白生产能力有限，这对一些需要更高治疗阈值的疗法（如蛋白质替代疗法）的效果产生了不利的影响。
王潇团队近年的研究聚焦于发展下一代mRNA设计和优化方法。过去，他们在放射性核糖核酸化学合成和mRNA酶合成方法的基础上，对线性mRNA的3′端进行化学和拓扑学修饰，以提升其稳定性。而在有效提升mRNA的蛋白表达能力方面，翻译效率是另一个关键因素。
mRNA指导蛋白合成的过程中，翻译起始是一个限速步骤。真核翻译起始因子（eIFs）通过与mRNA的N7-甲基-鸟嘌呤（m7G）帽结构相互作用，进一步招募细胞中的核糖体等翻译机器，从而启动mRNA的翻译。mRNA帽和5′非翻译区域的化学修饰对于mRNA翻译及稳定性有重要调控作用，并展现出改善治疗性mRNA药物性质的巨大潜力。然而，现有的RNA聚合酶合成技术存在结构兼容性的问题，难以引入更为多样化的mRNA化学或拓扑结构修饰。
近年来，环状RNA（circRNA）因其对外切酶的抗性和作为更稳定的蛋白表达载体的特性，受到了广泛关注。然而，由于依赖内部核糖体进入位点（IRES）驱动的翻译效率远低于经典的mRNA帽依赖翻译，circRNA的蛋白表达能力相对较低。通过对环状RNA进行拓扑结构改造，引入帽结构有望在保持其稳定性的同时，提升其翻译效率。
王潇团队提出了一种基于多种连接酶的mRNA-寡聚核苷酸组装策略（称为RNA LEGO），通过化学酶法实现了mRNA的模块化组装。首先，研究者利用RNA LEGO策略合成并筛选了多种mRNA帽和5′非翻译区域的天然或非天然化学修饰，进一步结合这类修饰，显著提高了mRNA的蛋白表达。
研究者通过构建含有双帽结构的枝状寡聚核苷酸并引入mRNA的5′末端，大幅提升了mRNA的蛋白表达。通过对多帽mRNA的拓扑结构进行优化，他们确定了最佳的主链及支链长度，从而实现了mRNA蛋白表达水平的最大化，而结合5′和3′端的化学修饰策略，研究者将荧光素酶报告mRNA的峰值蛋白表达水平提升了近20倍。
此外，王潇团队还研究了化学和拓扑修饰对翻译机制的增强。实验显示，优化后的多帽mRNA显著增强了翻译起始因子以及其他相关蛋白的结合，并提高了帽-eIF4E-eIF4G复合体的稳定性。而对5′非翻译区的化学修饰显著增强了mRNA对脱帽酶的抗性，进一步提高了mRNA的稳定性。
此外，研究者通过RNA LEGO策略合成了一种不依赖内含子的环状RNA（QRNA），结合枝状mRNA帽结构的化学修饰，证明了环状RNA利用帽依赖机制进行翻译的可行性并显著提升了其在体外和体内的翻译效率。他们提出的“帽临近驱动的翻译”模型阐释了不同拓扑结构RNA在翻译中的机制，并为未来mRNA药物的设计提供了新思路。
具体应用测试中，优化后的双帽mRNA在蛋白替代疗法和mRNA疫苗中的表现都非常优异。优化后编码人促红细胞生成素的mRNA在小鼠体内的蛋白表达显著增加，且在SARS-CoV-2 mRNA疫苗应用中也显现了更强的免疫响应。研究者指出，这些结果展示了化学修饰和拓扑结构改造在提高mRNA药物疗效方面的巨大潜力。
这项研究成果不仅为mRNA翻译机制及相关化学修饰设计提供了新见解，也为今后在临床mRNA药物应用中带来了新的希望。
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