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可編程導(dǎo)出RNA分子的系統(tǒng)將使細(xì)胞動態(tài)的非破壞性監(jiān)測和工程化細(xì)胞的RNA高效遞送成為可能。近日，來自加州理工學(xué)院的Michael B. Elowitz與Felix Horns團(tuán)隊(duì)在Cell雜志上發(fā)表文章，報(bào)道開發(fā)了基于病毒啟發(fā)的遺傳編碼細(xì)胞RNA導(dǎo)出器，它們可以高效地從哺乳動物細(xì)胞中包裝和分泌貨物RNA分子，并將其保護(hù)在納米顆粒中。導(dǎo)出和測序RNA條形碼以克隆分辨率實(shí)現(xiàn)了對細(xì)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(xì)胞中被導(dǎo)出的mRNA的遞送、表達(dá)和功能活性。這些系統(tǒng)稱為COURIER（controlled output and uptake of RNA for interrogation, expression, and regulation）。COURIER使得細(xì)胞動態(tài)的測量成為可能，并為基于細(xì)胞間RNA遞送的細(xì)胞和基因混合治療奠定了基礎(chǔ)。

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

RNA輸出/分泌（export）使細(xì)胞動態(tài)的非破壞性檢測成為可能。單細(xì)胞RNA測序和雜交基因組學(xué)分析已經(jīng)通過啟用破譯單個細(xì)胞的分子類型和狀態(tài)的方法，徹底改變了生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。然而，通常需要裂解或固定細(xì)胞才能物理上訪問RNA，這阻止了人們跟蹤單個活細(xì)胞的動態(tài)行為。細(xì)胞外部游離的（cell-free）RNA自然地由細(xì)胞通過細(xì)胞外囊泡（EVs）或在死亡時分泌，對這類RNA進(jìn)行測序可以非破壞性地揭示健康和疾病的生物標(biāo)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(xì)胞以高效地導(dǎo)出編碼有關(guān)細(xì)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(jìn)行測序，可以與自然cell-free RNA分析相比，實(shí)現(xiàn)對細(xì)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(xì)胞行為的方法。RNA編碼蛋白質(zhì)和調(diào)節(jié)基因表達(dá)的能力，可幫助對細(xì)胞行為進(jìn)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(nèi)特定細(xì)胞群體的挑戰(zhàn)的限制。工程細(xì)胞輸出RNA的能力提高了創(chuàng)建治療性“遞送細(xì)胞”的可能性，這些細(xì)胞歸位于組織，識別目標(biāo)細(xì)胞，并在接收細(xì)胞內(nèi)執(zhí)行不同功能的RNA的功能，包括改變它們的基因表達(dá)，重新編程細(xì)胞命運(yùn)或選擇性殺死處于疾病狀態(tài)的細(xì)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(shí)現(xiàn)組織和靶向特異性方面，因?yàn)榧?xì)胞能夠穿透組織并利用基于細(xì)胞的感知和邏輯來有條件地調(diào)節(jié)局部RNA遞送。這一愿景的基礎(chǔ)組成部分是一個系統(tǒng)，它可以通過載體分泌RNA，并允許非工程受體細(xì)胞攝取和表達(dá)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)移細(xì)胞之間的RNA。然而，這些方法通常依賴于逆轉(zhuǎn)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(jié)合特異性，并容易結(jié)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(jié)合蛋白融合到外殼或蛋白質(zhì)中，這些蛋白質(zhì)被納入到EVs中，并使用同源相互作用序列標(biāo)記載荷RNA。這些方法已被用于RNA遞送，包括在小鼠體內(nèi)，但需要進(jìn)一步發(fā)展，因?yàn)樗鼈兪艿降托У妮d荷裝載和分泌、受限的載荷容量以及遞送后載荷表達(dá)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(tǒng)將克服這些限制并提供幾個關(guān)鍵特征。

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

其次，它將允許選擇性地導(dǎo)出目標(biāo)RNA，例如工程條形碼或貨物。

第三，它將保護(hù)導(dǎo)出的RNA免受細(xì)胞外RNase降解。

第四，它將使接收細(xì)胞中的貨物RNA的遞送和表達(dá)成為可能。

最后，導(dǎo)出系統(tǒng)組分的表達(dá)對表達(dá)細(xì)胞的干擾最小。

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

該研究報(bào)告了具有這些特征的RNA分泌導(dǎo)出系統(tǒng)的開發(fā)，并應(yīng)用這些系統(tǒng)來非破壞性地監(jiān)測細(xì)胞群體動態(tài)和細(xì)胞間mRNA的傳遞。研究設(shè)計(jì)了一組RNA分泌導(dǎo)出器，將三種模塊化蛋白組分組合在一起：（1）RNA結(jié)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(biāo)細(xì)胞。從VLP開始，經(jīng)過幾代RNA導(dǎo)出器的工程設(shè)計(jì)，最終得到了基于蛋白納米籠子的細(xì)胞外囊泡，它們可以高效地從細(xì)胞中包裝和分泌RNA，并在選擇性方面對目標(biāo)RNA進(jìn)行了逐步改進(jìn)。然后，將RNA導(dǎo)出與遺傳條形碼和測序相結(jié)合，以非破壞性地監(jiān)測細(xì)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(biāo)細(xì)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(tǒng)稱為COURIER，用于控制RNA輸出和攝取以進(jìn)行詢問、表達(dá)和調(diào)節(jié)。這些結(jié)果將COURIER確立為一種靈活且可擴(kuò)展的范例，用于非破壞性地測量細(xì)胞動態(tài)和RNA的細(xì)胞間轉(zhuǎn)移。

RNA導(dǎo)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(xì)胞的非破壞性監(jiān)測以及mRNA的細(xì)胞間遞送。

參考文獻(xiàn)：

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(zhuǎn)載自外泌體資訊

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