畅谈mRNA技术全流程3:草船凭什么能借来曹操的箭?mRNA化学修饰简析

作者 启辰生 发布于 2021-11-30 00:00
分类: 科普园地

  当我们在介绍mRNA治疗路径时,很严肃的提到非常关键的第二步:进入人体。

  在这一步中除了要跨越人体的道道防线,还要能够躲过免疫系统的攻击,而后者是最难的。一个不被修饰的mRNA,会被我们的免疫系统直接识别,被攻击在所难免。

  怎么修饰?这就得研究mRNA的结构了。

 举一个很形象的例子——草船借箭。和草船类似,首先,mRNA有一个“船头”,叫5’帽,进行蛋白质翻译时,核糖体就是从这里开始的。其次,mRNA有一个“船尾”,叫3’尾,当核糖体阅读到这里时,就知道翻译结束了。

 对于这一头一尾的加强,就是第一类mRNA化学修饰——末端修饰。诸葛亮准备青布、草束装饰于船的两舷,为借箭之战的胜利打下基础。

 在“船头”通过5′–5′三磷酸键连接一个N7 -甲基鸟苷(m7G),形成5′帽子修饰;而mRNA的3′尾会被加上50~200个核苷酸长度的poly(A)尾巴。这两端化学修饰对mRNA的加工、出核、稳定性和翻译起到了重要的作用。

 但是,大家都能想到,这“船身”的加强才是更关键的,这就是第二类mRNA化学修饰——内部修饰。

 正所谓工欲善其事,必先利其器。回顾整个行动,夜色、大雾、曹操的疑心、都起到了重要的作用,而诸葛亮成功收得十万之箭的决定性因素是对船的修饰。

 mRNA这艘小船的“船身”大部分是由密码子组成的,可以理解成一块块的“木板”。而每块“木板”又都是有四个基本核苷酸中的三个组成。四个核苷酸是:胞嘧啶(C)、鸟嘌呤(G)、腺嘌呤(A)、尿苷(U)。所以,要想加强船身,就得在他们身上下功夫。

 最重要的修饰突破就在尿嘧啶(U)的身上发生了。1997年,两位“诸葛亮”合作将尿嘧啶修改成了假尿嘧啶(Ψ),这一修改的结果就是让mRNA这艘船隐身了,不仅能躲过自身免疫系统的攻击,而且船身更加坚固了,提高了运箭的能力。研究表明,这一修饰直接降低了由人体对于外来mRNA攻击导致的炎症发生,还让蛋白合成的效率有极大提高。

 为了表彰他们在mRNA技术上做出开拓性贡献,2021拉斯克(The Lasker Awards)临床医学研究奖授予了他们。要知道这个奖在业内一直被称为“诺奖风向标”。目前这一个研究成果正在新冠疫苗中被广泛应用。

 与DNA的化学修饰相比,RNA修饰更为丰富。从1951年首个RNA修饰(伪尿嘧啶)被发现以来,迄今共鉴定出160多种修饰,包括n6 -甲基腺苷(m6A)、5-甲基胞嘧啶(m5C)、n4 -乙酰胞苷(ac4C)、n1 -甲基腺苷(m1A)、c和7-甲基鸟苷酸(m7G)。这些修饰构成了一个相对未被探索的基因表达调控层,凸显了RNA的复杂性和多样性。修饰核苷的结构多样性在维持RNA稳定性、翻译、剪接等方面起着关键作用。这些修饰不但与mRNA的稳定性与免疫原性相关,还具有调节多种疾病的发展和病理生理机制的重要作用。例如mRNA m5C修饰异常就与多种疾病的发生发展有关,包括癌症、自身免疫性疾病和动脉硬化等。

 当下,对治疗用mRNA的化学修饰也逐步由最初的增强稳定性、降低清除率,向提高翻译效率、改变编码信息的方向发展。从mRNA化学修饰的商业角度出发,各大研发企业也在这个mRNA的关键步骤上集体发力。

可以预见的是在不远的未来,我们可以听到更多关于mRNA化学修饰的好消息传来。

再次感谢中国药学会药学服务专业委员会委员栗世铀教授、中科院纳米生物效应与安全性重点实验室研究员王浩教授对《畅谈mRNA技术全流程》系列文章内容做出的贡献。

分享

推荐文章