Nature：tRNA 疗法，制药新风口

2月23日，致力于first-in-class tRNA疗法开发的药物研发公司hC Bioscience宣布完成2400万美元的A轮融资，此轮融资由ARCH Venture Partners、Takeda Ventures和8VC领投。

hC源于hors catégorie，最初被用来指那些汽车不可能爬上去的山路。

hC Bio正在推进两个互补的平台。被称为PTCX (“Patch”)的平台被用于修复因无义突变（nonsense mutation，即某种氨基酸的密码子突变为终止密码子，导致肽链合成过早终止，相应蛋白不完整及功能失调）”或“过早终止密码子（PTC）”导致的蛋白质功能障碍，这种突变与10%-15%的人类疾病相关。PTCX平台是利用工程化tRNA识别mRNA转录本中的这种无义突变（nonsense mutation），通过插入一个氨基酸来抑制这种错误，从而保证正确的全长蛋白的产生。

由于许多疾病共享相同的过早终止密码子，因此，理论上，相同的抑制性tRNA 可以治疗多种疾病（来源：hC Bio）

hC Bio正在开发的另一个基于tRNA的平台叫SWTX (“Switch”，下图)，用于针对由错义突变引起的疾病。错义突变是编码某种氨基酸的密码子经碱基替换以后，变成编码另一种氨基酸的密码子，从而使多肽链的氨基酸种类和序列发生改变。错义突变的结果通常能使多肽链丧失原有功能，许多蛋白质的异常就是由错义突变引起的。SWTX被设计用于标记致病蛋白，以便进行破坏。

来源：hC Bio

hC Bio总部位于马萨诸塞州，技术源自爱荷华大学（University of Iowa）的Christopher Ahern教授实验室，Ahern教授及其合作伙伴先前开发出了针对人类过早终止密码子（PTC）驱动疾病的工程化tRNA。hC Bio希望tRNA疗法能够到达其它疗法没能到达的医学领域，公司的初步重点是癌症和罕见病。

在完成A轮融资的同时，hC Bio还组建了科学顾问委员会，诺贝尔生理学或医学奖得主Craig C. Mello教授将担任委员会主席。Mello教授表示，hC Bio基于tRNA的技术有望带来一种全新的RNA疗法。

表1 tRNA疗法领域部分玩家

数据来源：公开资料及Nature Biotechnology；QiXiaDecode Therapeutics未查询到公开LOGO

tRNA是2021年RNA疗法领域的融资“新星”，全年共有3家公司完成融资，包括7月完成1.12亿美元B轮融资的Shape Therapeutics、10月完成8000万美元B轮融资的ReCode Therapeutics以及11月完成5000万美元种子轮融资的Alltrna。基于这种融资热潮以及hC Bio最新的融资进展，Nature Biotechnology于近日发表了题为“tRNA therapeutics burst onto startup scene”的报道。

来源：Nature Biotechnology

始于40年前

作为mRNA翻译过程中的一种辅助性分子，tRNA携带着特定的氨基酸，通过反密码子与mRNA链上的密码子结合，将对应的氨基酸转移到核糖体中，完成肽链的延伸。

利用抑制性tRNA来治疗人类疾病的想法可以追溯到大约40年前。1982年，来自加州大学旧金山分校Yuet Wai Kan实验室的研究人员发现，一种能够读取过早终止密码子（PTC）的人类tRNA可以帮助青蛙卵恢复全长蛋白质的生产。到2000年代早期，科罗拉多大学的研究人员在转基因小鼠身上验证了这种方法；此外，来自Ott Institute of Obstetrics and Gynecology的研究小组使用突变的抑制性tRNA在肌肉萎缩症小鼠模型中实现了低水平的疾病矫正。但Ott研究所基因治疗专家Anton Kiselev表示，由于当时其他的治疗策略（如基因替换）在小鼠身上产生了更好的结果，因此，他的团队像该领域的大多数其他团队一样，放弃了tRNA方法。

之后，tRNA疗法研究进展停滞。直到2014年，葡萄牙癌症遗传学家Carla Oliveira领导的研究小组发现，抑制性tRNA具有治疗或预防无义突变（nonsense mutation）引起的遗传性癌症综合症的潜力。遗憾的是，这一成果当时也没有引起学术界及投资者的广泛关注[1]。

研发热潮渐起

不过，这种情况很快有了转变。几年前，Shape Therapeutics、Tevard Biosciences等公司均在抑制性tRNA开发方面进行了布局。Shape正在开发治疗Rett综合征的抑制性tRNA，该疾病是一种神经发育障碍，由MECP2基因的无义突变（nonsense mutation）导致。

Tevard的目标是Dravet综合征（一种罕见的癫痫，主要由钠通道基因SCN1A的杂合子功能缺失突变引起），公司早期聚焦碱基编辑疗法，2017年，RNA生物学家Jeff Coller与细胞和分子生物学家Harvey Lodish的一次邂逅改变了该公司的想法。Coller当时已经证明，特定基因转录本中密码子丰度与细胞中相应tRNA浓度之间的平衡可以极大地改变蛋白质的表达水平。他与Lodish意识到，Tevard可以利用这些知识开发增强性（enhancer）tRNA疗法，来治疗Dravet综合征。

增强性tRNA疗法机制（来源：Tevard）

Tevard的CEO Daniel Fischer 称，利用三种增强性tRNAs的混合物（鸡尾酒疗法），Tevard能够在不显著改变其他非靶基因表达的情况下，将SCN1A的功能性拷贝在受影响细胞中的产力提高近一倍。不过由于增强性tRNA疗法依赖于功能性基因拷贝，因此，对于25% SCN1A基因出现“过早终止突变子（PTC）”的Dravet综合征患者，这类疗法并不适用，Tevard也在为这类患者开发抑制性tRNA疗法。

为了开发抑制性tRNA项目，Tevard获得了Christopher Ahern教授及其前博士后John Lueck 2019年1篇论文相关的知识产权的授权[2]，Ahern教授和Lueck建立了一个包含数百个ACE-tRNAs（anticodon-edited tRNAs，反密码子编辑的tRNAs）的文库，每一个ACE-tRNA都能抑制过早终止密码子(PTC)突变，准确地融合所需的氨基酸。

根据Nature Biotechnology报道，Ahern教授除了是hC Biosciences的科学联合创始人（hC Bio授权了Ahern教授相关专利的其它应用），现在也是Tevard的顾问。

优势与挑战

致力于RNA疗法开发的Arcturus Therapeutics也在与来自德国University of Hamburg的生物化学家Zoya Ignatova合作开发抑制性tRNA疗法。他们未发表的数据表明，正常的终止信号受抑制性tRNA影响非常小。

除了初步显现的安全性特征，与其他类型的基因疗法、RNA疗法相比，tRNA疗法还有一些关键优势。“一方面，基于抑制性tRNA的治疗具有通用性，对于过早终止密码子（PTC）是普遍适用的；另一方面，tRNA本身很小，因此在递送方面不会遇到像利用病毒递送某些完整基因或者CRISPR酶一样的尺寸限制。”北京大学化学生物学家夏青教授说道。

由夏青教授创办的启夏解码（QiXia Decode Therapeutics）正在专注于利用工程化tRNA–酶（tRNA–enzyme pairs）治疗无义突变（nonsense mutation）引起的肌肉营养不良和癌症[3]，该公司迄今为止已经筹集了1600万美元。

抑制性tRNA的另一潜在优势是，在修复蛋白活性的同时不会引发蛋白过表达，这很重要，因为一些蛋白的过表达会引发新的问题。“举例来说，对于Rett 综合征患者，如果靶蛋白过表达可能会神经元产生毒性。” Shape Therapeutics的CSO David Huss说道。

当然，tRNA疗法的开发也面临着多方面的挑战。hC Bioscience的联合创始人、总裁兼首席执行官Leslie Williams认为，递送是最大的挑战。目前来说，腺病毒载体和脂质纳米颗粒依然是大多数开发tRNA疗法的公司选择的递送系统，一些基于DNA质粒的递送系统学术研究也在进行中。

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许多疾病，无论是罕见的还是常见的，都源于相同的无义突变（nonsense mutation），即某个氨基酸的密码子突变成了终止密码子。Alltrna等公司设计的tRNA能够特异性地读取这些过早终止密码子，递送所需的氨基酸，从而恢复全长蛋白质的生产。Alltrna表示，这种治疗机制为通过开发单一的tRNA药物来治疗具有相同基因突变的数千种疾病带来了前所未有的机会。（视频来源：Alltrna）

总结来说，尽管目前还没有tRNA疗法进入临床，但理论上，单一的抑制性tRNA可能能够治疗数千种不同的由相同类型无义突变（nonsense mutations）导致的罕见遗传性疾病。如果这种治疗策略能够安全进行，将为一类全新的疗法打开大门。此外，在未来，增强性tRNA疗法也值得期待。

专家点评

北京大学药学院夏青教授、启夏解码创始人

夏青教授，北京大学医学博士，化学博士后，研究方向：前沿生物技术，主要从事工程细胞和类人器官中的蛋白质翻译机器与元件的系统改造，实现工程细胞/干细胞内的碱基氨基酸和聚糖分子的精确替换。

• 优势与挑战

最近几年，tRNA疗法领域热度明显攀升。如我在Nature Biotechnology采访中所说，相比基因疗法、mRNA疗法等，tRNA疗法有两个方面明显优势：1）对于同一种类型的无义突变，tRNA疗法具有通用性。举个例子，对于编码谷氨酰胺的密码子CAG突变成TAG，导致无义突变造成的蛋白翻译终止，我们可以用一种携带谷氨酰胺并且识别提前终止密码子TAG的工程化tRNA，就能尝试治疗CAG无义突变导致的近三千种单基因遗传病。2）从大小来看，tRNA疗法的递送可能会更为灵活。

总体来说，tRNA疗法领域目前还处于临床前研究阶段，还没有公司有项目申报临床，这类疗法想要进一步获得突破，仍有多个挑战亟需克服，如：1）带修饰的核苷酸合成；2）修饰碱基与功能的关系，这两个问题需要科学家们继续突破。

• 原创成果及转化

2015年1月，我从哈佛医学院访学回国，开始从事基因密码子系统治疗无义突变的研究，会涉及到改造正交系统中tRNA结构的工作，同时也开始关注体内tRNA的结构决定功能的分子机制。

去年8月，我们在Nature Biomedical Engineering杂志上发表了利用“tRNA-酶”疗法恢复小鼠模型肌肉功能的研究[3]。团队扩展了基因密码子扩展系统的PylRS-tRNAPyl正交对，使得这套工具可以匹配单基因病的三种无义突变类型，且不会对在体的原有20 种氨基酸的代谢产生影响；然后在患者分离的肌肉干细胞和DMD疾病模型小鼠上，分别验证了该方法的有效性。

在递送方面，我们利用AAV 作为载体构建了 AAV-PylRS-tRNAPyl系统，用腹腔注射和肌肉注射两种方式，分别评价了在 DMD 疾病模型小鼠上的全身/局部治疗效果，证明该方法在临床治疗方面有很大开发潜力。

基于这一成果，启夏解码（QiXia Decode Therapeutics）在去年9月正式成立，公司目前聚焦PTC肌肉病和无义突变肿瘤，正在积极推进肌营养不良疾病和结直肠无义突变肿瘤的产品研发。与其他开发tRNA疗法的公司相比，启夏解码的主要优势在于有强大的从头设计工程化tRNAs-aaRS正交对系统/ntRNAs合成生物学技术与AI计算平台，能够加速未来产品的迭代速度。

未来5年，我们的目标是希望这种原创于中国高校的“tRNA-酶”疗法能够为1-2种疾病带来治疗突破。我也相信，从全球来看，tRNA疗法会在纠正单基因无义突变的治疗中发挥积极作用。

参考资料：

[1] Renata Bordeira-Carriço et al. Rescueof wild-type E-cadherin expression from nonsense-mutated cancer cells by a suppressor-tRNA. European Journal of Human Genetics(2004).

[2] John D. Lueck et al. Engineered transfer RNAs for suppression of premature termination codons. Nature Communications(2019).

[3] Ningning Shi et al. Restoration of dystrophin expression in mice by suppressing a nonsense mutation through the incorporation of unnatural amino acids. Nature Biomedical Engineering (2021).

[4]