理性设计UTR，高效表达SARS

作者：王韵壹、李英、熊慧卿

疫情带来的混乱似乎有所好转，窗外风和日丽，鸟鸣不断，猫咪慵懒地四处游走。我们继续纸上谈兵，闭门造车，一起看看mRNAFactory系列的第8篇文章。

昨天总结有关5'UTR序列二级结构影响翻译效率的一系列研究成果，今天，来看看研发人员如何 理性设计UTR序列，提升蛋白翻译效率。

在 2020年，致力于药物递送研发的 俄亥俄州大学药学院Yizhou Dong教授，在 Advanced Materials发表文章：Leveraging mRNA Sequences and Nanoparticles to Deliver SARS-CoV-2 Antigens In Vivo。在这项工作中，为提升蛋白表达效率，研究人员对UTRs进行筛选，从头设计，组合，最终找到一款性能优良的UTRs，命名为NASAR，与内源性UTRs对照组相比，其翻译效率提升5-10倍。更加重要的是，在小鼠体内，通过TT3 LNP递送的NASAR-mRNA，可以实现非常显著的SARS-CoV-2抗原蛋白的表达。在接种疫苗的小鼠体内，TT3 LNP递送的NASAR-mRNA要比FDA批准的MC3 LNP递送的所触发的抗体高出2个数量级。

理性设计UTR，高效表达SARS

基于内源性基因表达分析，设计优化用于高效表达SARS-CoV-2抗原的NASAR UTRs，利用TT3 LNP递送强烈触发特异性抗体。

这项研究可以为mRNA疫苗研发中设计优良的5’UTR序列提供一些启发，接下来，我们仔细看看NASAR到底是怎么从头设计出来的？

已筛选出的优良UTRs

为有效表达抗原，构成mRNA疫苗骨架系统的表达元件必须包含：5'帽子结构，5'UTR，编码抗原的CDS，3'UTR，PolyA尾巴。在这些元件中，5'UTR和3'UTR对于蛋白翻译具有独特的调控作用。设计筛选UTRs对于抗原在体内的有效表达和疫苗的有效性是非常重要的，因此，mRNA疫苗的研发需要系统性地探索寻找适合病原体蛋白在体内表达的最佳UTRs。

有许多表达重组蛋白的UTRs来自内源性基因:

在2001年，有人发现HSP70 mRNA 5'UTR可以提升mRNA翻译效率，但对于mRNA产量没有影响。这种翻译增强效应在3个不同的启动子(HSP, SV40 和CMV)和6个不同的细胞系中均可以观察到，因此HSP70 mRNA 5'UTR成为提升重组蛋白表达系统翻译效率的通用型表达元件 【2】。

昨天的文章提到改变5'UTR结构，控制翻译效率，在2006年，钱永健发现，在活细胞中， α globin 5'UTR介导的蛋白翻译效率要高于β globin 5'UTR。

在2016年，有人在筛选过程中发现CYBA UTRs（细胞色素B-245 α链）组合可以提升mRNA产量和蛋白产量，但是对mRNA稳定性没有影响 【1】。

除了从内源性基因中直接筛选UTRs，还有改造天然UTRs或者直接通过深度计算模型进行高通量筛选，例如，前面介绍过的高通量“干湿”试验探寻mRNA序列优化设计原则。

基于前期的这些研究，研究人员将从细胞基因表达数据库中筛选出表达效率高的内源性UTRs和从头优化设计UTRs进行毕比较，以此来寻找适合SARS-CoV-2抗原在体内高效表达的UTRs。

筛选内源性UTRs比较内源性基因5'UTR翻译效率

在 2011年， Schwanhäusser在 Nature发表文章：Global quantification of mammalian gene expression control，测定出小鼠成纤维细胞中4248 mRNAs 平均半衰期和 翻译速率常数（ protein copy number/mRNA/h）。根据这些数据，研发人员计算出每个mRNA分子的翻译能力（translation capacity per mRNA molecule）= 半衰期×翻译速率常数×蛋白长度，其单位是氨基酸总数/mRNA，用来 表征一个mRNA分子在半衰期内翻译产生的氨基酸总数。利用生物信息学的方法，从小鼠成纤维细胞基因全局表达数据库中，筛选出Rps27a mRNA具有最高的翻译能力。

理性设计UTR，高效表达SARS

小鼠成纤维细胞中翻译能力最高的30 个基因的mRNA分子