NC | Ribo-seq应用：北京大学夏青团队通过化学修饰tRNA提升富含同源密码子的mRNA翻译能力

mRNA疫苗在预防和控制新冠疫情中发挥了重要作用，但其临床应用仍受限于化学性质不稳定和翻译能力较低等瓶颈。目前，提高mRNA翻译能力的策略主要集中在优化mRNA载体本身，例如使用加帽类似物、进行密码子优化以及设计环状或多聚腺苷酸尾等特殊结构。

然而，这些对mRNA序列和结构的复杂改造面临着设计、修饰不兼容、合成产率和规模化生产等挑战。tRNA的丰度和修饰变化与密码子优化相关，影响mRNA的稳定性和蛋白质产量，提示tRNA可能是潜在的翻译增强剂。

研究表明，tRNA的供应与mRNA的密码子需求之间必须保持平衡，才能确保高效的蛋白质合成。因此，通过人为调控翻译机器的关键组分tRNA的可用性，有望成为一种无需改造mRNA自身即可增强其翻译能力的通用新策略。

2025年8月22日，北京大学药学院夏青团队在Nature Communications上发表了一篇题为“Chemically modified tRNA enhances the translation capacity of mRNA rich in cognate codons”的论文，开发了一种名为“tRNA-plus”的策略，可显著提高目的蛋白的表达水平，并在mRNA疫苗中有效激发更强的体液与细胞免疫应答，为高效mRNA疫苗和治疗方法的开发提供了新途径。

文章索引

【标题】Chemically modified tRNA enhances the translation capacity of mRNA rich in cognate codons

【发表期刊】Nature Communications

【发表日期】2025年8月22日

【作者及团队】北京大学药学院夏青团队

【IF】15.7

研究结果

一、筛选促进Spike mRNA翻译的潜在tRNA

研究团队推测，通过人工调节tRNA可用性，可高效翻译富含同源密码子的mRNA，并称之为“tRNA-plus”策略。

基于对密码子使用模式与密码子稳定性系数的分析，作者建立了一个用于预测能够促进翻译的tRNA的评分体系。

他们发现优选密码子及其对应tRNA能提高翻译和mRNA稳定性，而病毒感染也会重塑tRNA表达谱以支持复制。

二、tRNA过表达促进Spike蛋白合成

在HEK293T细胞中共转染Spike mRNA与不同tRNA，发现多种tRNA显著提高Spike蛋白表达，最高提升至4.7倍。

作者发现tRNAPhe GAA、tRNALeu CAG和tRNAAla GGC效果突出，并在不同细胞系中具有普适性。

三、tRNA过表达与密码子优化协同增强Spike mRNA翻译

密码子优化的Spike mRNA在稳定性和翻译效率上优于野生型，与特定tRNA共表达进一步放大蛋白产量。

稳定过表达tRNALeu CAG-1-1还能提升Spike假病毒包装效率，病毒滴度提高约4.6倍。

四、tRNA-plus策略增强Spike mRNA的稳定性和翻译效率

mRNA稳定性测定和Ribo-seq核糖体印迹分析显示，tRNA过表达不仅提高mRNA稳定性，还增强翻译效率和核糖体占据率。

RNA-seq和蛋白质组学结果表明，该效应具有密码子特异性，而非全局转录翻译重编程。

五、化学修饰是tRNA发挥功能所必需的

体外合成未修饰tRNA会抑制Spike蛋白翻译，而化学修饰tRNA则能发挥促进作用，表明适当修饰是tRNA功能不可或缺的。

六、工程化修饰的抑制性tRNA展现出高解码效率

作者发现，通过修饰tRNA的抗编码环和结构区域，可显著提升其读取终止密码子效率。

此外，多重修饰组合可进一步增强解码性能和稳定性，其中m1G37尤为关键。

七、化学修饰赋予天然tRNA增强的解码效率

在天然tRNALeu CAG中引入修饰显著提高解码能力，尤其是m1G37最有效。

多重修饰的变体提升近2倍效率，显示修饰间存在协同作用。

八、化学修饰降低tRNA的免疫原性

作者发现修饰后的tRNA在HEK293T-TLR8和免疫细胞模型中均表现出较低的免疫激活效应，多重修饰在抑制TLR7/8激活方面效果最显著。

九、使用脂质纳米颗粒（LNP）共递送mRNA和tRNA

研究构建了能高效共封装mRNA和tRNA的LNP系统，其中含修饰tRNA的LNP（T7）在细胞中产生最高水平的Spike蛋白。

十、mRNA-tRNA疫苗的体内免疫原性

研究团队发现，小鼠接种mRNA-tRNA疫苗后产生更强体液和细胞免疫反应。

其中T7表现最佳，显著提高IgG滴度、中和抗体效价及记忆T细胞比例。

总结

本研究提出了一种通过人工调节tRNA来提高mRNA翻译的新策略，证明tRNA能够显著增强mRNA的稳定性和翻译效率，特别是在与密码子优化等其他策略结合时，可产生更强的协同效应，为提升mRNA疫苗的效力和开发基于翻译的新型疗法提供了通用方法。