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本期荐读丨诺奖（2023）：关于 mRNA 疫苗研发的解读/和渊等

花匠小妙招
2024-11-12 12:47

编者按

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本刊2024年第10期刊发的《关于 mRNA 疫苗研发的解读》一文，介绍了疫苗的作用和类型、 mRNA 疫苗的研发流程，是对mRNA 疫苗及其研发的详细科普，本期荐读。

关于 mRNA 疫苗研发的解读

和渊王一苇鲁冰杜军

（中国人民大学附属中学）

摘要

2023 年诺贝尔生理学或医学奖颁发给 mRNA 疫苗研发团队，以表彰他们在核苷碱基修饰方面的发现。该研究团队将体外合成的 mRNA 中的假尿苷替换为尿苷注射到机体后，不仅可以减少机体自身的免疫反应，而且还能极大增加 mRNA 的翻译效率，产生更多的蛋白质，这对 mRNA 疫苗的成功研发具有重要意义。

关键词

mRNA疫苗疫苗研发诺贝尔生理学或医学奖

2023 年的诺贝尔生理学或医学奖颁发给了mRNA 疫苗研发团队卡塔琳·考里科（KatalinKarikó）和德鲁·魏斯曼（Drew Weissman），理由是“他们在核苷碱基修饰方面的发现，这些发现使得针对 COVID-19（新型冠状病毒）感染的有效mRNA 疫苗得以开发”。卡塔琳·考里科和德鲁·魏斯曼将体外合成的 mRNA 中的假尿苷替换为尿苷注射到机体后，不仅可以减少机体自身的免疫反应，而且还能极大增加 mRNA 的翻译效率。本文简单介绍 mRNA 疫苗的研发流程。

01 疫苗的作用和类型

疫苗是指用各类病原微生物制作的用于预防接种的生物制品，即把减活或者灭活的病原体（或者活性成分）注射到身体内，使自身产生对抗病原体的能力。常用的新型冠状病毒（以下简称新冠病毒）感染疫苗主要包括灭活疫苗、重组蛋白疫苗、腺病毒载体疫苗和 mRNA 疫苗等。

灭活疫苗、重组蛋白疫苗、腺病毒载体疫苗等是最常见的疫苗，其研发过程比较复杂，需要不断地培育、挑选、处理，在制作完成之后还要经过动物实验和人体临床试验，确认安全且有效之后才能批准入市，这一整个过程可能需要10 年之久，长周期的疫苗研发流程对于亟需防治的新冠病毒感染过于漫长。

mRNA 疫苗的设计和生产比传统疫苗的研发周期要缩短很多。一旦已知了目标病原体的遗传信息，就可以相对迅速地开始生产疫苗，而无须像传统方式一样培养和处理活病毒或蛋白质抗原。且由于不需要使用活病毒，减少了疫苗生产过程中的生物感染风险。由此可见，mRNA 疫苗是一种比较理想的疫苗类型。

02 mRNA 疫苗的研制思路

利用 mRNA 研制疫苗的思路是：确定病原体关键蛋白（如新冠病毒刺突蛋白），以此为依据推测其编码基因的序列并体外合成关键蛋白的mRNA，把合成的mRNA注入人体，让mRNA指导人体细胞合成刺突蛋白，并引发人体的免疫应答。

2.1 确定病原体关键蛋白，并以此为依据推测其编码基因的序列

推测其编码基因的序列通过生物信息学比较不同物种或毒株的病原体，找出高度保守的蛋白质或序列；或者通过免疫筛查找出诱导强烈免疫应答的病原体蛋白质；通过共沉淀、酵母双杂交、亲和纯化等经典的生化实验操作，找出在感染过程中起关键作用的病原体蛋白。

找出病原体侵染的关键蛋白（抗原决定簇）后，通过乙酸纤维电泳、质谱法、核磁共振法等对蛋白质进行鉴定，确定其氨基酸序列。然后，使用Basic Local Alignment Search Tool（BLAST）在 Gen Bank 或其他相关的生物信息学数据库中对蛋白质序列进行搜索，找出与蛋白质序列高度相似的已知序列，从而推测这些序列对应的病毒基因序列。

2.2 体外合成 mRNA

体外合成 mRNA 的技术，通常称为体外转录（in vitro transcription，IVT）。对于 RNA 病毒，先提取总 RNA，逆转录形成 DNA，再使用 DNA 模板生成 mRNA，具体流程为：DNA 模板准备—转录反应—在 mRNA 上加帽和加尾—RNA 纯化。

1）DNA 模板准备。DNA 模板通常为线性化的质粒，含有所需的 mRNA 序列及一个能被 RNA 聚合酶识别的启动子，通过聚合酶链式反应（PCR）将DNA模板准备好，为下一步的转录反应奠定基础。

2）转录反应。将 DNA 模板、三磷酸核苷（NTPs）、RNA 聚合酶（如 T7、T3 或 SP6 RNA 聚合酶，取决于启动子的类型）、缓冲液及其他必要的因子等混合，利用 RNA 聚合酶进行体外转录，得到 mRNA 分子。

3）在 mRNA 上加帽和加尾。在转录完成后或与转录同时，在反应体系中添加加帽酶（cappingenzyme）和适当的供体分子（如 GTP 或甲基化的GTP），形成 5′端的帽子结构；同时，使用多聚 A 聚合酶添加 poly（A）尾，形成 3′端的多聚腺苷酸尾，即可获得成熟的 mRNA。

4）RNA 纯化。转录后，由于新合成的 mRNA含有未掺入的 NTPs、DNA 模板和其他杂质，需要通过一定手段去除，从而得到纯化的 mRNA。

2.3 将外源合成的 mRNA 注入人体，激发人体免疫应答

外源合成的 mRNA 被注射到体内后，会通过体液运输，进入巨噬细胞等抗原呈递细胞（APCs）。之后，mRNA 在抗原呈递细胞内部表达出相应的病原体蛋白，并呈递到细胞表面，激活辅助性 T 细胞，进而激活 T 细胞和 B 细胞，使得 B 细胞产生相关抗体，细胞毒性 T 细胞裂解被抗原侵染的细胞。mRNA 疫苗的工作机制如图 1 所示。

此过程中面临 3 个重要的科学问题：外源mRNA 进入细胞中能否指导蛋白质的翻译？外源 mRNA 诱发人体先天免疫系统从而导致严重的细胞炎症反应怎么解决？mRNA 在运输过程中容易被降解怎么解决？下文分别对这 3 个问题进行阐述。

2.3.1 外源 mRNA 进入细胞后能否作为模板指导翻译

经由细胞核转录形成的内源 mRNA 可以翻译形成蛋白质，外源 mRNA 进到人体细胞中后，能否指导细胞内形成蛋白质？1990 年，威斯康星大学一个研究团队，将 mRNA 注射到小鼠体内，并检测到了相应的蛋白表达。1992 年，另一个研究团队在大鼠中进一步证明，体外注入的 mRNA 表达出的蛋白质还具有生理活性。这意味着外源合成的 mRNA 进入细胞后仍旧可以指导细胞合成蛋白质（如刺突蛋白），因此，mRNA 可以作为抗原激发人体产生免疫反应，从而起到疫苗的作用。

2.3.2 外源 mRNA 导致细胞炎症的解决方法

尽管外源 mRNA 可以指导细胞内蛋白质的形成，但是其本身作为一种外来物质，可以被机体识别，诱发细胞的先天免疫系统活化，从而使外源mRNA 降解而无法翻译为抗原蛋白分子，也无法引起有效的免疫保护。如何防止 mRNA 被人体识别？

考里科和魏斯曼发现，外源 RNA 会被 Toll like receptor（TLR）识别。而之所以会被识别，是因为外源 RNA 与哺乳动物内源 RNA 不同，缺乏某些修饰，这种修饰的区别体现为：哺乳动物中的RNA 中具有假尿苷，被称为第 5 种核苷酸，但体外合成的外源 RNA 没有假尿苷的修饰。因此，外源RNA 由于缺乏假尿苷的修饰会被机体免疫系统识别，从而导致炎症反应。于是，考里科和魏斯曼把外源 mRNA 上的尿苷替换成了假尿苷，外源mRNA不再产生严重炎症反应，因此，解决了mRNA 在人体内应用的安全性问题。

考里科等还做了后续实验，去除了双链 RNA对 mRNA 进行的纯化，不仅减少了细胞内炎症的发生，而且增加了翻译的效率，提高了 mRNA 的应用效率。

2.3.3 mRNA 在运输过程中容易被降解的解决方法

mRNA 非常容易被降解，尚未被运输到相关细胞内作为模板指导翻译形成抗原蛋白分子之前，就有可能被降解。该如何解决？研究员构建出一个脂质纳米颗粒运载系统 LNP（lipidnanoparticles）（图 2），修饰后的 mRNA 由脂质纳米颗粒载体递送到人体细胞中，能避免 mRNA 被机体分解，并且能够刺激免疫系统产生抗体，中和入侵的病毒，该方法比完全依赖免疫系统本身效果更好。

研发 LNP 并非易事。普通的脂质体（liposome）能沿着肿瘤附近的破碎血管进入细胞，帮助运输癌症药物，但结构简单的普通脂质体为中性或略带负电荷，这使得其很难有效地与带负电的酸性DNA 或 RNA 结合。科学家设想，给脂质体添加带有正电荷的脂质，可以与带有负电荷的核酸形成稳定平衡。使用永久带有正电荷的人造脂质会带来巨大的毒性，因为这些脂质会破坏细胞膜结构。如何解决这个问题？科学家的策略是使用可电离的脂质，让其在特定的条件下（如酸性环境），短暂携带正电荷，这样就能与核酸结合，将RNA 包裹在其中，进行投递。

综上所述，考里科和魏斯曼的工作解决了mRNA 作为疫苗的稳定性差（稳定性）、体内效率低下（有效性）和激发机体先天免疫系统（安全性）的问题，使人工合成的 mRNA 能够安全地注射到人类细胞内，为疫苗研发作出了突出贡献。mRNA 新冠病毒疫苗的成功，让科研人员开始寻求包括流感、诺如病毒、疟疾、肺结核、登革热、寨卡病毒、艾滋病等各种疾病的 mRNA 疗法。同时，mRNA 疗法的研究还扩大到了其他领域，例如，治疗一些癌症、食物和环境过敏以及自身免疫病，相信 mRNA 疫苗和 mRNA 疗法在未来具有广阔的应用前景。

本次推送仅节选了文章部分内容，全文阅读详见本刊2024年第10期。欢迎订购！