En délivrant des brins de matériel génétique connus sous le nom d'ARN messager (ARNm) dans les cellules, les chercheurs peuvent induire les cellules à produire n'importe quelle protéine codée par l'ARNm. Cette technique présente un grand potentiel pour l'administration de vaccins ou le traitement de maladies telles que le cancer, mais parvenir à une livraison efficace de l'ARNm s'est avéré difficile.

Maintenant, une équipe d'ingénieurs chimistes du MIT, inspiré par la façon dont les cellules traduisent leur propre ARNm en protéines, a conçu un système d'administration synthétique quatre fois plus efficace que l'administration d'ARNm seul.

« Si nous voulons pouvoir délivrer de l'ARNm, alors nous avons besoin d'un mécanisme pour être plus efficace parce que tout ce qui a été utilisé jusqu'à présent vous donne une très petite fraction de ce qui serait l'efficacité optimale, " dit Paula Hammond, un professeur David H. Koch en ingénierie, le chef du département de génie chimique du MIT, et membre du Koch Institute for Integrative Cancer Research du MIT.

Hammond est l'auteur principal de l'article, qui apparaît dans Angewandte Chemie . Les auteurs principaux de l'article sont le postdoctorant Jiahe Li et l'étudiant diplômé Yanpu He. Les autres co-auteurs de l'article sont Wade Wang, Connie Wu, et Celestine Hong du laboratoire Hammond.

Machines à protéines

L'ARN messager porte les instructions génétiques de l'ADN, qui ne peut pas quitter le noyau cellulaire, aux ribosomes de la cellule, qui assemblent des protéines basées sur la séquence d'ARNm. L'ARN messager est attrayant en tant que véhicule potentiel pour traiter une maladie ou administrer des vaccins, car une fois qu'un brin d'ARNm est traduit en la protéine souhaitée, ça finit par se dégrader.

"Ça ne change pas le code génétique, " dit Hammond. " Il n'y a aucune chance que l'incorporation d'un gène puisse se produire, donc le facteur de sécurité est beaucoup plus élevé."

Pour que cette approche fonctionne, L'ARNm doit pénétrer efficacement dans les cellules, et une fois là-bas, il doit atteindre les ribosomes pour être traduit en protéine. Dans une étude précédente, les chercheurs du MIT ont découvert qu'ils pouvaient améliorer le taux de traduction de l'ARNm en attachant un capuchon protéique à une extrémité du brin d'ARNm. Cette coiffe aide l'ARNm à former un complexe nécessaire pour initier la traduction.

Dans la nouvelle étude, les chercheurs se sont concentrés sur l'autre extrémité de la molécule d'ARNm. L'ARNm naturel a généralement une longue "queue poly-A, " constitué d'une longue séquence de répétitions d'adénosine, qui stabilise la molécule et l'aide à résister à la dégradation par les enzymes de la cellule.

L'équipe du MIT a décidé d'attacher une protéine appelée protéine de liaison poly-A à cette queue. Cette protéine, qui se trouve naturellement dans les cellules, aide l'ARNm à se lier aux ribosomes et à commencer le processus de traduction.

Les chercheurs ont ensuite enrobé ce complexe d'un type de polymère appelé polypeptide, qui est une séquence d'acides aminés modifiés enchaînés dans une chaîne. Ce polypeptide sert d'échafaudage pour maintenir la protéine de liaison poly-A et l'ARNm en contact étroit, et il aide à neutraliser l'ARNm chargé négativement. Sans cette neutralisation, L'ARNm ne serait pas capable de traverser les membranes cellulaires, qui sont également chargés négativement.

Une fois que l'ARNm revêtu de polymère pénètre dans une cellule, la protéine de liaison poly-A la protège de la dégradation et l'aide à se lier aux ribosomes. L'ARNm forme une boucle fermée afin qu'un ribosome puisse le parcourir plusieurs fois, produisant de nombreuses copies de la protéine cible. De cette façon, l'effet de l'ARNm, qui est une thérapeutique génétique très coûteuse, peut être considérablement amélioré par combinaison avec des polypeptides et des protéines synthétiques beaucoup moins chers.

"L'approche conventionnelle consiste simplement à délivrer de l'ARNm dans les cellules, " dit Li. " Mais une fois que l'ARNm pénètre dans les cellules, il peut être dégradé, nous formons donc un complexe qui est crucial pour l'initiation de la traduction de l'ARNm."

L'approche du MIT permet également de surmonter un autre défi pour la délivrance d'ARNm, c'est que les molécules sont très grosses, dit Peixuan Guo, professeur de produits pharmaceutiques et de systèmes d'administration de médicaments à l'Ohio State University.

"Les découvertes du groupe de Paula Hammond dans cet article prouvent que l'ARNm peut être efficacement délivré grâce à l'utilisation de protéines de liaison poly-A, " dit Guo, qui n'a pas participé à la recherche. "Cette technologie démontre une grande augmentation des charges utiles livrées et ouvrira une nouvelle voie à la livraison d'ARNm."

Expression protéique plus élevée

Les chercheurs ont testé ce système en délivrant un ARNm qui code le gène de la luciférase, une protéine éclatante, dans les poumons des souris. Ils ont constaté qu'avec ce type de livraison, les cellules produisaient quatre fois plus de protéines que lorsque seul l'ARNm était encapsidé avec le même polypeptide pour l'administration.

Une des raisons pour lesquelles ce système est plus efficace, les chercheurs croient, est qu'il élimine la nécessité pour l'ARNm de trouver des protéines de liaison poly-A dans l'environnement cytoplasmique encombré après que l'ARNm ait pénétré dans la cellule.

"Nous avons réalisé que les cellules ne fabriquent probablement que suffisamment de cette protéine de liaison poly-A pour traduire leur propre ARNm, " Il dit. " Une fois que vous livrez un excès d'ARNm, la cellule n'a pas assez de cette protéine auxiliaire pour la traduire. Nous avons réalisé que nous devions lui donner plus de protéines auxiliaires, le pré-assembler avec nos polypeptides pour imiter la structure de synthèse des protéines, puis co-livrez cet assemblage bio-inspiré dans la cellule."

Dans cette étude, les particules d'ARNm accumulées dans les poumons à cause de la charge positive du polypeptide, ce qui a permis aux particules de se fixer aux globules rouges et de se déplacer jusqu'aux poumons. Cependant, les chercheurs envisagent maintenant d'explorer la modification des particules avec des polymères qui les dirigeront vers d'autres endroits du corps, y compris les tumeurs.

Ils travaillent également à améliorer encore la stabilité des molécules polypeptidiques en ajoutant une queue hydrophobe à une extrémité, et en attachant un polymère appelé PEG. Ces deux modifications devraient aider les molécules à circuler plus longtemps dans le corps, leur permettant d'atteindre leurs destinations prévues.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.