Mol Ther Nucl Acids | AU富集元素如何促进蛋白质表达，提升mRNA翻译效率

导读

COVID-19 mRNA疫苗的快速设计和开发标志着一种新型生物技术平台的出现，其具有应对SARS-CoV-2以及其他病原体和癌症的潜力。

mRNA治疗的优势在于高效性、安全性和较低生产成本，关键在于优化mRNA序列以提升翻译效率，最大化治疗蛋白的表达。优化UTR（非翻译区）序列是提升mRNA稳定性和翻译效率的有效策略，过往研究集中在使用珠蛋白基因的稳定UTR，但其翻译效率有限。

为此，有研究者通过高通量方法设计、筛选和优化5' UTR、ORF和3' UTR的变异，以识别新型UTR序列并最大化翻译效率。此外，机器学习模型结合密码子适应指数和最小自由能的优化策略，能在短时间内生成高效的mRNA序列。

3' UTR在细胞内调控mRNA动态，含有多种序列元素，能与RNA结合蛋白等相互作用，影响mRNA的稳定性、翻译效率和蛋白质表达。研究发现，HuR等RNA结合蛋白通过结合AU富集元素，稳定mRNA并延长其半衰期，许多病毒和病原体利用类似机制增强RNA稳定性。

2025年2月12日，大连理工大学生物工程学院林佳奇团队在Molecular Therapy Nucleic Acids上发表了一篇题为“Enhancing mRNA translation efficiency by introducing sequence optimized AU rich elements in 3’UTR via HuR anchorage”的论文，提出了一种新的mRNA序列优化方法，通过理性设计，重点关注HuR和AU富集元素的分子对之间的相互作用，研究最短核心序列和最佳重复长度，确保增强翻译效果。这为优化mRNA的3' UTR序列与RNA结合蛋白的研究积累了更多的探索经验。

索引

【IF】10.183

研究结果

一. 将AU富集元素插入mRNA的3' UTR可以增强mRNA的稳定性和翻译

作者设计了四种荧光素酶RNA序列，在3' UTR的不同位置（前端、中间、末端）插入AU富集元素。结果显示，插入AU富集元素的mRNA在细胞内和小鼠体内的荧光素酶表达明显增强，且前端插入（ARE-F）效果最佳，表现出最强的蛋白表达和RNA稳定性。

进一步分析表明，ARE-F增强了mRNA的稳定性，从而促进了更高效的翻译和蛋白合成。这些结果表明，AU富集元素的插入是提高mRNA表达的有效策略。

二. AU富集元素（ARE）与HuR结合对于增强mRNA翻译是必需的

为了研究HuR在增强ARE-F mRNA翻译中的作用，作者通过沉默HuR蛋白，发现HuR减少后ARE-F的荧光素酶表达显著下降，而Non-ARE表达不受影响。

qRT-PCR分析显示，HuR沉默后ARE-F RNA水平降低约60%。通过RNA pull-down实验，直接证明了HuR与ARE-F结合是其增强翻译效应的关键。

三. 天然AU富集元素的合理设计

研究团队选择了13种来自癌基因、细胞因子或转录因子的AU富集元素，结果显示ARE-5和ARE-9能显著增强翻译。

进一步分析发现，AU富集元素中重复的AUUUA序列对翻译增强至关重要。最短的功能性AU富集序列为9 nt（AUUUAUUUA），且AUUUA重复序列长度为60nt时，翻译增强效果最佳。

优化后的ARE-F和ARE-T60在体外和体内均显示出显著的翻译增强效果，尤其在小鼠中，ARE-T60表现出最高的蛋白表达水平。

四. 工程化的AU富集元素可作为普适的翻译增强工具

作者通过将AU富集元素（如ARE-F和ARE-T60）融合至EGFP和mCherry报告基因中，证明这些元素显著提高了荧光蛋白的表达。

他们进一步将OVA抗原编码的mRNA与AU富集元素结合，增强了OVA生产，并在小鼠中通过LNP传递，诱导了强烈的细胞免疫反应和OVA特异性IgG抗体生成。

此外，RNA合成生物学的进展使得AU富集元素的应用得以扩展，包括与HuR蛋白的协同作用，进一步提升蛋白表达。最终，研究表明AU富集元素可作为mRNA疫苗开发中的重要工具。

总结

本研究通过在mRNA的3'非翻译区插入AU富集元素优化序列，显著提高RNA稳定性和蛋白表达。HuR蛋白是关键调控因子，优化后的AU富集元素可将蛋白表达提高五倍，且对不同蛋白均有效，具有广泛的应用潜力。

点击图片查看

点击图片查看