2025年5月19日,中國科學院上海免疫與感染研究所郝沛課題組在國際學術期刊 Nucleic Acids Research 發表了題為 “mRNAdesigner: an integrated web server for optimizing mRNA design and protein translation in eukaryotes” 的合作研究論文,推出了國際首個開放使用的mRNA藥物設計平臺-mRNAdesigner。該研究成果對新一代mRNA核酸藥物的定制化設計和高效開發、推動學術發展和打破產業壁壘有重要意義。
mRNA藥物正成為現代生物醫藥領域的重要發展方向,但當前mRNA的設計面臨著跨物種適應性不足、忽略上下游非翻譯區對表達的調控作用、免疫原性控制不足等多重挑戰。對此,郝沛研究團隊創新性地將RNA翻譯動力學的研究成果融入設計理念,綜合考慮了mRNA序列中的密碼子偏好性、GC含量、二級結構對蛋白翻譯表達的影響,實現對mRNA結構區域(5’UTR、CDS、3’UTR)的整合優化設計。平臺設計的編碼區序列可以在設定的GC比例的下,提高密碼子自適應指數、優化堿基互補配對模式的同時規避長莖環結構和GC富集區,降低mRNA在細胞中的被天然免疫識別和降解的風險。針對5’UTR區域,平臺通過提高核糖體負載(MRL)優化設計,促使翻譯起始和延伸更為高效。針對3’UTR區域,通過調控元件注釋算法,識別并減少與序列降解有關的調控元件的數量(如:AREs,CUREs),從而能整體提升mRNA穩定性和翻譯效率。
通過對序列的模擬與實驗評估表明經過mRNAdesigner生成的mRNA序列,相較于其野生型序列,其在密碼子適應度、堿基互補配對率、長莖環結構有不同程度的提高,并且在真核細胞表達體系中具有更高的蛋白表達量,為核酸疫苗開發、蛋白藥物生產及分子生物學研究提供了有力的工具支持。mRNAdesigner 可從 https://www.biosino.org/mRNAdesigner/ 訪問 。
圖:mRNAdesigner序列優化流程示意圖
原文鏈接:?https://doi.org/10.1093/nar/gkaf410
【研究團隊】
中國科學院上海免疫與感染研究所郝沛研究員為該論文的通訊作者,中國科學院分子植物科學卓越中心/合成生物學重點實驗室李軒研究員為共同通訊作者。中國科學院上海免疫與感染研究所莫歐陽、張卓,中國科學院分子植物科學卓越新中心程香為論文共同第一作者。華東師范大學藥學院、ChemPartner PharmaTech Co.、University of Connecticut的相關老師和同學參與了研究。這項工作得到了非傳染性慢性病-國家科技重大專項 [2023ZD0502400] 和國家自然科學基金等項目的支持。
【研究組簡介】
病原大數據研究組(負責人:郝沛研究員):主要從事計算生物學/生物信息學領域的交叉前沿研究,充分發揮計算機科學背景,在以下三個方面進行研究:1)在病毒分子進化、致病機制、和耐藥性突變規律研究方面,建立關鍵突變位點的檢索算法,病毒致病性的網絡模型、和分子動力學模擬評估傳播宿主的方法,并進行臨床表型關聯分析;對SARS病毒和新型H7N9禽流感病毒的分子進化、病毒宿主變遷、和臨床診斷分型及治療具有重大指導意義;2)推廣生物信息學方法在病原微生物檢測預防和抗藥性突變評估的轉化應用,建立了一批流行性病毒突變數據庫和檢索分析工具平臺;3)多維組學數據Meta-分析算法探索及應用,開發完成了高通量轉錄組數據的組裝算法的優化模擬、基于組學功能模塊的小分子功能表型搜索比對算法、和基因組水平的基因穩定性/敏感性meta-評估算法。相關研究成果發表在Science、Nature、LANCET、PNAS、J BiolChem、BMC Systems Biol、BMC Bioinformatics、Genomics等專業學術雜志上。