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可編程導出RNA分子的系統將使細胞動態(tài)的非破壞性監(jiān)測和工程化細胞的RNA高效遞送成為可能。近日，來自加州理工學院的Michael B. Elowitz與Felix Horns團隊在Cell雜志上發(fā)表文章，報道開發(fā)了基于病毒啟發(fā)的遺傳編碼細胞RNA導出器，它們可以高效地從哺乳動物細胞中包裝和分泌貨物RNA分子，并將其保護在納米顆粒中。導出和測序RNA條形碼以克隆分辨率實現了對細胞群體動態(tài)的非破壞性監(jiān)測。此外，通過將融合素納入納米顆粒中，證明了在接收細胞中被導出的mRNA的遞送、表達和功能活性。這些系統稱為COURIER（controlled output and uptake of RNA for interrogation, expression, and regulation）。COURIER使得細胞動態(tài)的測量成為可能，并為基于細胞間RNA遞送的細胞和基因混合治療奠定了基礎。

RNA作為細胞中的中央信息載體，提供了一個強大的“接口”，用于讀取和編寫細胞行為。對RNA進行測序分析可以讀取細胞狀態(tài)。同時，RNA的表達控制著細胞狀態(tài)。然而，RNA通常被限制在產生它的細胞內部，從而限制了它在分子分析和細胞間通信方面的實用性。相比之下，可編程地從細胞中導出RNA分子的能力可以解鎖分析和控制活細胞的方法。

RNA輸出/分泌（export）使細胞動態(tài)的非破壞性檢測成為可能。單細胞RNA測序和雜交基因組學分析已經通過啟用破譯單個細胞的分子類型和狀態(tài)的方法，徹底改變了生物醫(yī)學領域。然而，通常需要裂解或固定細胞才能物理上訪問RNA，這阻止了人們跟蹤單個活細胞的動態(tài)行為。細胞外部游離的（cell-free）RNA自然地由細胞通過細胞外囊泡（EVs）或在死亡時分泌，對這類RNA進行測序可以非破壞性地揭示健康和疾病的生物標志物。然而，自然RNA分泌的低速率限制了cell-free RNA分析的靈敏度和信息含量。作為替代方法，工程化細胞以高效地導出編碼有關細胞群體和狀態(tài)信息的RNA分子，然后收集并對這些分泌的RNA進行測序，可以與自然cell-free RNA分析相比，實現對細胞動態(tài)的非破壞性測量，并具有更高的靈敏度和信息含量。

RNA輸出/分泌（export）還可以解鎖操縱細胞行為的方法。RNA編碼蛋白質和調節(jié)基因表達的能力，可幫助對細胞行為進行可編程控制。然而，將這種能力用于治療仍受到RNA傳遞到組織內特定細胞群體的挑戰(zhàn)的限制。工程細胞輸出RNA的能力提高了創(chuàng)建治療性“遞送細胞”的可能性，這些細胞歸位于組織，識別目標細胞，并在接收細胞內執(zhí)行不同功能的RNA的功能，包括改變它們的基因表達，重新編程細胞命運或選擇性殺死處于疾病狀態(tài)的細胞。這種策略可以規(guī)避使用其他傳遞載體時遇到的難題，在實現組織和靶向特異性方面，因為細胞能夠穿透組織并利用基于細胞的感知和邏輯來有條件地調節(jié)局部RNA遞送。這一愿景的基礎組成部分是一個系統，它可以通過載體分泌RNA，并允許非工程受體細胞攝取和表達這些RNA。

病毒樣顆粒（VLP）和外泌體（EVs）作為RNA分泌和遞送的有吸引力的平臺。病毒結構蛋白，它們形成的外殼以及它們與RNA包裝信號（PSs）的自然相互作用已被用于在VLPs中包裝和轉移細胞之間的RNA。然而，這些方法通常依賴于逆轉錄病毒外殼蛋白，例如人類免疫缺陷病毒（HIV）或Moloney小鼠白血病病毒（MMLV）的外殼蛋白，這些蛋白僅對病毒RNA具有適度的結合特異性，并容易結合其他RNA，從而對特定載荷RNA的選擇性裝載提出挑戰(zhàn)。VLPs和EVs已被改造以提高載荷RNA的選擇性裝載，包括將RNA結合蛋白融合到外殼或蛋白質中，這些蛋白質被納入到EVs中，并使用同源相互作用序列標記載荷RNA。這些方法已被用于RNA遞送，包括在小鼠體內，但需要進一步發(fā)展，因為它們受到低效的載荷裝載和分泌、受限的載荷容量以及遞送后載荷表達不良、影響VLP組裝的外殼修飾等限制。

一個理想的RNA分泌系統將克服這些限制并提供幾個關鍵特征。

首先，它將高效地從哺乳動物細胞中分泌RNA，從而允許敏感的測量和強效的遞送。

其次，它將允許選擇性地導出目標RNA，例如工程條形碼或貨物。

第三，它將保護導出的RNA免受細胞外RNase降解。

第四，它將使接收細胞中的貨物RNA的遞送和表達成為可能。

最后，導出系統組分的表達對表達細胞的干擾最小。

具有這些特征的RNA分泌導出系統可用于創(chuàng)建多功能基于RNA報告和遞送平臺。

該研究報告了具有這些特征的RNA分泌導出系統的開發(fā)，并應用這些系統來非破壞性地監(jiān)測細胞群體動態(tài)和細胞間mRNA的傳遞。研究設計了一組RNA分泌導出器，將三種模塊化蛋白組分組合在一起：（1）RNA結合蛋白以捕獲特定的RNA分子，（2）自組裝的外殼或囊泡以包裝和分泌這些RNA，以及（3）融合素以將分泌的RNA傳遞到目標細胞。從VLP開始，經過幾代RNA導出器的工程設計，最終得到了基于蛋白納米籠子的細胞外囊泡，它們可以高效地從細胞中包裝和分泌RNA，并在選擇性方面對目標RNA進行了逐步改進。然后，將RNA導出與遺傳條形碼和測序相結合，以非破壞性地監(jiān)測細胞群體動態(tài)。最后，通過將融合素納入分泌的納米顆粒中，證明了貨物RNA在目標細胞中的遞送和功能活性，包括編碼Cre重組酶和熒光蛋白的mRNA。作者將這些系統稱為COURIER，用于控制RNA輸出和攝取以進行詢問、表達和調節(jié)。這些結果將COURIER確立為一種靈活且可擴展的范例，用于非破壞性地測量細胞動態(tài)和RNA的細胞間轉移。

RNA導出器的開發(fā)，基于外殼和納米籠子，用于RNA的包裝和分泌、細胞的非破壞性監(jiān)測以及mRNA的細胞間遞送。

參考文獻：

Horns F, Martinez JA, Fan C, Haque M, Linton JM, Tobin V, Santat L, Maggiolo AO, Bjorkman PJ, Lois C, Elowitz MB. Engineering RNA export for measurement and manipulation of living cells. Cell. 2023 Jul 10:S0092-8674(23)00689-X. doi: 10.1016/j.cell.2023.06.013. PMID: 37437570.

文章轉載自外泌體資訊

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