DNA是構(gòu)成所有有機體基因組的雙鏈分子，而RNA通常被描述為DNA的單鏈表親。然而，許多類型的非生物病毒以雙鏈形式的RNA（dsRNA）攜帶它們的遺傳信息。當(dāng)人類**系統(tǒng)檢測到這種外來RNA的存在時，它通過增加稱為干擾素（IFN）的保護性細胞因子的產(chǎn)生來發(fā)出警報，從而激活人體內(nèi)針對病毒入侵者的先天**反應(yīng)。
科學(xué)家們試圖通過構(gòu)建模擬病毒基因組特征的**性dsRNA來利用這種天然的抗病毒反應(yīng)。但是對先天**系統(tǒng)的干預(yù)是一把雙刃劍。病毒RNA類似物也可以激活導(dǎo)致體內(nèi)過度炎癥的分子途徑，相比于它們的抗病毒益處，這可能造成更大的傷害。
如今，在一項新的研究中，美國哈佛大學(xué)懷斯生物啟發(fā)工程研究所的研究人員發(fā)現(xiàn)了一類新的**刺激性dsRNA，它們能夠強效地誘導(dǎo)兩種形式的IFN---IFN-I和IFN-III---的產(chǎn)生，同時限制了以前使用基于RNA的**刺激劑通常觀察到的炎癥。相關(guān)研究結(jié)果近期發(fā)表在Molecular Therapy-Nucleic Acids期刊上，論文標題為“Self-assembling short immunostimulatory duplex RNAs with broad-spectrum antiviral activity”。
這些新的dsRNA分子極大地抑制了許多具有大流行潛力的病毒---包括SARS-CoV、SARS-CoV-2、MERS-CoV和多種甲型流感病毒毒株---感染人類細胞的能力，此外在傳統(tǒng)的細胞培養(yǎng)物以及復(fù)雜的人類肺部器官芯片模型中都是如此。在COVID-19的小鼠模型中，dsRNA將它們體內(nèi)的病毒載量減少了1000多倍。
論文共同**作者Haiqing Bai博士說，“這些新的dsRNA對COVID-19來說是一種有吸引力的**選擇，因為SARS-CoV-2感染產(chǎn)生了一種不平衡的**反應(yīng)，其中保護性的IFN反應(yīng)被抑制，而炎癥反應(yīng)卻升高了。通過優(yōu)先增加IFN-I，我們的dsRNA有潛力校正這種不平衡，也可能用于**許多其他病毒性**。”
偶然的發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)性探究
多年來，Bai和懷斯生物啟發(fā)工程研究所創(chuàng)始主任Don Ingber實驗室的其他成員一直在利用他們的人類器官芯片平臺開發(fā)病毒性**的新療法。在2020年之前，該團隊正致力于確定人類肺細胞中調(diào)節(jié)它們對甲型流感病毒感染作出反應(yīng)的基因，畢竟甲型流感病毒在當(dāng)時是*值得關(guān)注的大流行病毒。他們首先使用CRISPR-Cas9篩選來確定可能抑制流感病毒增殖的宿主基因。篩選出的*佳候選基因之一是一個名為DGCR5的基因，它產(chǎn)生一種長鏈非編碼RNA（lncRNA）序列，而不是一種蛋白。為了了解DGCR5如何影響感染率，他們設(shè)計出三種不同的干擾該基因表達的雙鏈小干擾RNA（siRNA），然后將siRNA遞送到體外培養(yǎng)的肺細胞中。
這些作者發(fā)現(xiàn)這種siRNA遞送將DGCR5的水平降低了80%以上，并抑制了90%以上的甲型流感病毒感染。在這些結(jié)果的刺激下，他們開始單獨測試這些siRNA，以及一些額外的針對DGCR5的siRNA序列。令他們吃驚的是，雖然他們構(gòu)建的10種siRNA中的9種明顯減少了DGCR5基因的表達，但其中只有一種抑制了病毒感染。看來，DGCR5的活性可能不是病毒感染率的驅(qū)動因素。
當(dāng)他們進一步開展研究時，他們證實這種特殊的siRNA導(dǎo)致參與IFN信號通路的多個基因的上調(diào)表達。額外的研究顯示了這種siRNA專門激活了能觸發(fā)IFN產(chǎn)生的三種信號通路之一，即RIG-I通路，該通路是先天**反應(yīng)的一個重要組成部分。這些作者開始猜測他們發(fā)現(xiàn)了一類新的dsRNA，它們通過一種以前未知的作用機制刺激**系統(tǒng)。
他們開始系統(tǒng)地生成和測試這種原始的dsRNA序列的200多種變體，以找出這種機制。他們確定了一串特殊的核苷酸，稱為“基序”，它始終存在于具有高IFN刺激活性的dsRNA的一端：一條鏈上的胞嘧啶（C）和另一條鏈上的三個鳥嘌呤（GGG）。鑒于C與這種基序中GGG序列的一個G結(jié)合，在每個dsRNA的末端有兩個延伸出來的G。當(dāng)dsRNA有許多拷貝時，從一個dsRNA分子的末端延伸出來的G可以通過一種叫做G-G胡斯坦堿基配對（Hoogsteen base pairing）的不尋常現(xiàn)象與從另一個dsRNA分子的末端延伸出來的G結(jié)合起來。由此產(chǎn)生的dsRNA二聚體直接與RIG-I非常有效地結(jié)合，導(dǎo)致RIG-I激活和隨后的IFN反應(yīng)。
論文共同**作者Longlong Si博士說，“這對我們來說非常有趣，因為以前的研究已表明RIG-I可以被具有平齊末端（也就是沒有從末端延伸出來的堿基片段）的雙鏈dsRNA激活，而且?guī)缀跞魏晤愋偷哪┒搜由靿A基片段（overhang）都可以阻止RIG-I的結(jié)合。但我們觀察到的這種獨特的G-G結(jié)合行為有效地產(chǎn)生了能強效激活RIG-I的具有平齊末端（blunt-ended）的dsRNA，所以在這種情況下，末端延伸堿基片段對我們的新型dsRNA的活性至關(guān)重要。”
從流感到COVID-19及其他
為了了解他們新發(fā)現(xiàn)的dsRNA在活細胞中的有效性，這些作者將其中的一種dsRNA與一種模擬病毒感染的合成**刺激劑poly(I:C)進行了面對面的測試。當(dāng)他們將這兩種化合物應(yīng)用于人類上皮細胞時，他們發(fā)現(xiàn)這種dsRNA產(chǎn)生的抗病毒炎癥反應(yīng)較少，而具有更大炎癥性的poly(I:C)在基因表達方面引起了更廣泛的變化，并影響了對正常細胞功能至關(guān)重要的其他生物過程。
為了更進一步，這些作者隨后在由懷斯生物啟發(fā)工程研究所開發(fā)的用于在體外復(fù)制復(fù)雜的人類器官組織和功能的人類肺部氣道和肺泡芯片中測試了這種dsRNA。他們將這種dsRNA引入健康芯片，觀察到IFN-I的表達增加了12～40倍。當(dāng)他們在器官芯片中加入甲型流感病毒時，他們發(fā)現(xiàn)這種dsRNA抑制了80%～90%的感染。
隨后，COVID-19大流行來襲，這些作者將他們的研究從流感病毒轉(zhuǎn)向SARS-CoV-2和相關(guān)的冠狀病毒SARS-CoV、MERS-CoV和HCoV-NL63。他們的這種dsRNA從容應(yīng)對了這種變化，對MERS-CoV和HCoV-NL63感染來自猴子的哺乳動物細胞系的抑制率超過90%，對SARS-CoV的抑制率超過1000倍。它還對SARS-CoV-2感染人類上皮細胞系的抑制率達到了驚人的99.99%。
*后，這些作者在COVID-19的小鼠模型中測試了這種dsRNA。當(dāng)他們用SARS-CoV-2感染接受這種序列未受到破壞的dsRNA**的小鼠時，與用序列受到破壞的這種dsRNA**的小鼠相比，前者將小鼠肺部的病毒載量減少了1000多倍。
論文通訊作者、懷斯生物啟發(fā)工程研究所教授Donald E. Ingber博士說，“COVID-19的大流行已**苦地表明，我們需要能夠減弱各種病毒感染的廣譜**方法，而不是在每種**出現(xiàn)時為它開發(fā)一種定制的**方法。我希望這種RNA**技術(shù)將成為對抗未來大流行病的一種廣泛使用的方法。”
除了**病毒，這些新型dsRNA還可能用于****、**和寄生蟲感染，以及癌癥和自身**性**等可以從增加IFN產(chǎn)生中獲益的**。它們還可能被用作佐劑，以增強其他疫苗的活性。
這些作者說，未來的研究必須確定*佳的**時機，因為在感染中太晚激活I(lǐng)FN可能會加劇炎癥，同時也要研究直接將dsRNA遞送到上呼吸道（例如，通過吸入器）中以盡量減少全身性**激活的可能性。（生物谷 Bioon.com）
