stringtranslate.com

РНК-мессенджер, модифицированный нуклеозидами

Нуклеозид -модифицированная матричная РНК ( мРНК ) — это синтетическая матричная РНК (мРНК), в которой некоторые нуклеозиды заменены другими естественно модифицированными нуклеозидами или синтетическими аналогами нуклеозидов . [1] МРНК используется для индукции выработки желаемого белка в определенных клетках. Важным применением является разработка вакцин мРНК , из которых первыми разрешенными были вакцины от COVID-19 (такие как Comirnaty и Spikevax ).

Фон

Рибосома (изображена зеленым цветом) создает белок (здесь изображенный в виде цепочки бусин, представляющих аминокислоты ) , закодированный в мРНК (изображенной в виде ленты нуклеотидов ), который можно модифицировать для уменьшения воспаления в клетке.

мРНК производится путем синтеза цепи рибонуклеиновой кислоты (РНК) из нуклеотидных строительных блоков в соответствии с шаблоном дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), процесс, который называется транскрипцией . [2] Когда строительные блоки, предоставленные РНК-полимеразе, включают нестандартные нуклеозиды, такие как псевдоуридин — вместо стандартных нуклеозидов аденозина , цитидина , гуанозина и уридина — полученная мРНК описывается как модифицированная нуклеозидами. [3]

Производство белка начинается со сборки рибосом на мРНК, которая затем служит в качестве чертежа для синтеза белков , определяя их аминокислотную последовательность на основе генетического кода в процессе биосинтеза белка, называемом трансляцией . [4]

Обзор

Чтобы побудить клетки производить белки, которые они обычно не производят, можно ввести гетерологичную мРНК в цитоплазму клетки, минуя необходимость транскрипции. Другими словами, в клетки «контрабандой» проносится план чужеродных белков. Однако для достижения этой цели необходимо обойти клеточные системы, которые препятствуют проникновению и трансляции чужеродной мРНК. Существуют почти вездесущие ферменты, называемые рибонуклеазами (также называемые РНКазами), которые расщепляют незащищенную мРНК. [5] Существуют также внутриклеточные барьеры против чужеродной мРНК, такие как врожденные иммунные рецепторы, толл-подобные рецепторы (TLR) 7 и TLR8 , расположенные в эндосомальных мембранах. Сенсоры РНК, такие как TLR7 и TLR8, могут значительно снизить синтез белка в клетке, вызвать высвобождение цитокинов, таких как интерферон и ФНО-альфа , и при достаточной интенсивности привести к запрограммированной гибели клетки . [6]

Воспалительная природа экзогенной РНК может быть замаскирована путем модификации нуклеозидов в мРНК. [7] Например, уридин может быть заменен на аналогичный нуклеозид, такой как псевдоуридин (Ψ) или N1-метил-псевдоуридин (m1Ψ), [8] а цитозин может быть заменен на 5-метилцитозин . [9] Некоторые из них, такие как псевдоуридин и 5-метилцитозин, встречаются в природе у эукариот , [10] в то время как m1Ψ встречается в природе у архей . [11] Включение этих модифицированных нуклеозидов изменяет вторичную структуру мРНК, что может снизить распознавание врожденной иммунной системой, при этом все еще позволяя эффективную трансляцию. [9]

Значение непереведенных областей

Нормальная мРНК начинается и заканчивается секциями, которые не кодируют аминокислоты фактического белка. Эти последовательности на 5′ и 3′ концах нити мРНК называются нетранслируемыми областями (UTR). Две UTR на концах их нитей необходимы для стабильности мРНК, а также модРНК, а также для эффективности трансляции, т. е. для количества продуцируемого белка. Выбирая подходящие UTR во время синтеза модРНК, можно оптимизировать производство целевого белка в целевых клетках. [5] [12]

Доставка

Сравнение поглощения РНК и модРНК клеткой

Различные трудности связаны с введением modRNA в определенные клетки-мишени. Во-первых, modRNA должна быть защищена от рибонуклеаз . [5] Это может быть достигнуто, например, путем обертывания ее в липосомы . Такая «упаковка» может также помочь гарантировать, что modRNA будет поглощена клетками-мишенями. Это полезно, например, при использовании в вакцинах , поскольку наночастицы поглощаются дендритными клетками и макрофагами , которые играют важную роль в активации иммунной системы. [13]

Кроме того, может быть желательно, чтобы применяемая modRNA была введена в определенные клетки организма. Это имеет место, например, если необходимо стимулировать клетки сердечной мышцы к размножению. В этом случае упакованная modRNA может быть введена непосредственно в артерию, например, коронарную артерию . [14]

Приложения

Важной областью применения являются мРНК-вакцины .

Замена уридина на псевдоуридин для обхода врожденной иммунной системы была впервые предложена Карико и Вайсманом в 2005 году. [15] [16] За эту работу они получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине 2023 года. [17]

Еще одним достижением стала демонстрация спасающей жизни эффективности модифицированной нуклеозидами мРНК в мышиной модели смертельного заболевания легких группой Корманна и других в 2011 году. [18]

N1-метил-псевдоуридин использовался в испытаниях вакцин против вируса Зика [19] [20] [21] ВИЧ-1 [ 21] гриппа [ 21 ] и Эболы [22] в 2017–2018 годах. [23] :  5 

Первыми, разрешенными для использования у людей, были вакцины COVID-19 для борьбы с SARS-CoV-2 . [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] Примеры вакцин COVID-19 с использованием modRNA включают вакцины, разработанные в сотрудничестве BioNTech / Pfizer ( BNT162b2 ) и Moderna ( mRNA-1273 ). [31] [32] [33] Однако вакцина зорецимерана , разработанная Curevac , использует немодифицированную РНК, [34] вместо этого полагаясь на оптимизацию кодонов для минимизации присутствия уридина. Однако эта вакцина менее эффективна. [35] [16]

Другие возможные применения модРНК включают регенерацию поврежденной ткани сердечной мышцы, [36] [37] инструмент для замены ферментов [38] и терапию рака. [39] [40]

Ссылки

  1. ^ Chien KR, Zangi L, Lui KO (октябрь 2014 г.). «Синтетическая химически модифицированная мРНК (модРНК): на пути к новой технологической платформе для сердечно-сосудистой биологии и медицины». Cold Spring Harbor Perspectives in Medicine . 5 (1): a014035. doi :10.1101/cshperspect.a014035. PMC 4292072.  PMID 25301935  .
  2. ^ Альбертс Б., Джонсон А., Льюис Дж., Рафф М., Робертс К., Уолтер П. (2002). От ДНК к РНК (4-е изд.). Garland Science.
  3. ^ Парди Н, Вайсман Д (2017). «Модифицированные нуклеозидами мРНК-вакцины для инфекционных заболеваний». РНК-вакцины . Методы в молекулярной биологии. Т. 1499. Клифтон, Нью-Джерси, стр. 109–121. doi :10.1007/978-1-4939-6481-9_6. ISBN 978-1-4939-6479-6. PMID  27987145.{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
  4. ^ Lodish H, Berk A, Zipursky SL, Matsudaira P, Baltimore D, Darnell J (2000). Три роли РНК в синтезе белка (4-е изд.). Нью-Йорк: WH Freeman. С. Раздел 4.4.
  5. ^ abc Schlake T, Thess A, Fotin-Mleczek M, Kallen KJ (ноябрь 2012 г.). «Разработка технологий мРНК-вакцин». RNA Biology . 9 (11): 1319–1330. doi :10.4161/rna.22269. PMC 3597572. PMID  23064118 . 
  6. ^ Dalpke A, Helm M (июнь 2012 г.). «РНК-опосредованная стимуляция Toll-подобных рецепторов в норме и патологии». RNA Biology . 9 (6): 828–842. doi :10.4161/rna.20206. PMC 3495747. PMID  22617878 . 
  7. ^ Карико К, Бакштейн М, Ни Х, Вайсман Д (август 2005 г.). «Подавление распознавания РНК Toll-подобными рецепторами: влияние модификации нуклеозидов и эволюционное происхождение РНК». Иммунитет . 23 (2): 165–175. doi : 10.1016/j.immuni.2005.06.008 . PMID  16111635.
  8. ^ Andries O, Mc Cafferty S, De Smedt SC, Weiss R, Sanders NN, Kitada T (ноябрь 2015 г.). «МРНК с включенным N(1)-метилпсевдоуридином превосходит мРНК с включенным псевдоуридином, обеспечивая повышенную экспрессию белка и сниженную иммуногенность в линиях клеток млекопитающих и мышах». Journal of Controlled Release . 217 : 337–344. doi : 10.1016/j.jconrel.2015.08.051. hdl : 1854/LU-6993270 . PMID  26342664.
  9. ^ ab Svitkin YV, Cheng YM, Chakraborty T, Presnyak V, John M, Sonenberg N (июнь 2017 г.). "N1-метил-псевдоуридин в мРНК усиливает трансляцию через eIF2α-зависимые и независимые механизмы за счет увеличения плотности рибосом". Nucleic Acids Research . 45 (10): 6023–6036. doi :10.1093/nar/gkx135. PMC 5449617 . PMID  28334758. 
  10. ^ Hoernes TP, Clementi N, Faserl K, Glasner H, Breuker K, Lindner H, et al. (Январь 2016). «Модификации нуклеотидов в бактериальных матричных РНК регулируют их трансляцию и способны перепрограммировать генетический код». Nucleic Acids Research . 44 (2): 852–862. doi :10.1093/nar/gkv1182. PMC 4737146. PMID  26578598 . 
  11. ^ Wurm JP, Griese M, Bahr U, Held M, Heckel A, Karas M и др. (март 2012 г.). «Идентификация фермента, ответственного за N1-метилирование псевдоуридина 54 в архейных тРНК». РНК . 18 (3): 412–420. doi :10.1261/rna.028498.111. PMC 3285930. PMID 22274954.  Напротив , у большинства архей эта позиция занята другим гипермодифицированным нуклеотидом: изостерическим N1-метилированным псевдоуридином. 
  12. ^ Orlandini von Niessen AG, Poleganov MA, Rechner C, Plaschke A, Kranz LM, Fesser S, et al. (апрель 2019 г.). «Улучшение доставки терапевтических генов на основе мРНК с помощью 3'-нетранслируемых участков, увеличивающих экспрессию и идентифицированных с помощью скрининга клеточной библиотеки». Молекулярная терапия . 27 (4): 824–836. doi :10.1016/j.ymthe.2018.12.011. PMC 6453560. PMID  30638957 . 
  13. ^ Zhao L, Seth A, Wibowo N, Zhao CX, Mitter N, Yu C, Middelberg AP (январь 2014 г.). «Вакцины на основе наночастиц». Vaccine . 32 (3): 327–337. doi : 10.1016/j.vaccine.2013.11.069 . PMID  24295808.
  14. ^ Carlsson L, Clarke JC, Yen C, Gregoire F, Albery T, Billger M и др. (июнь 2018 г.). «Биосовместимая очищенная мРНК VEGF-A улучшает функцию сердца после внутрисердечной инъекции через 1 неделю после инфаркта миокарда у свиней». Молекулярная терапия. Методы и клиническая разработка . 9 : 330–346. doi :10.1016/j.omtm.2018.04.003. PMC 6054703. PMID  30038937 . 
  15. ^ Карико К, Бакштейн М, Ни Х, Вайсман Д (август 2005 г.). «Подавление распознавания РНК Toll-подобными рецепторами: влияние модификации нуклеозидов и эволюционное происхождение РНК». Иммунитет . 23 (2): 165–175. doi : 10.1016/j.immuni.2005.06.008 . PMID  16111635.
  16. ^ ab Dolgin E (сентябрь 2021 г.). «Запутанная история вакцин мРНК». Nature . 597 (7876): 318–324. Bibcode :2021Natur.597..318D. doi :10.1038/d41586-021-02483-w. PMID  34522017. S2CID  237515383.
  17. ^ «Нобелевская премия по физиологии и медицине 2023 года».
  18. ^ Корманн, Майкл SD; Хазенпуш, Гюнтер; Анея, Маниш К.; Ника, Габриэла; Флеммер, Андреас В.; Гербер-Джонат, Сюзанна; Хуппманн, Марселин; Мейс, Лорен Э.; Иллени, Марта; Шамс, Андреа; Гризе, Маттиас; Биттманн, Айрис; Хандгретингер, Руперт; Хартл, Доминик; Розенекер, Джозеф (февраль 2011 г.). «Экспрессия терапевтических белков после доставки химически модифицированной мРНК у мышей». Nature Biotechnology . 29 (2): 154–157. doi :10.1038/nbt.1733. ISSN  1546-1696. PMID  21217696. S2CID  205275040.
  19. ^ Pardi N, Hogan MJ, Pelc RS, Muramatsu H, Andersen H, DeMaso CR и др. (март 2017 г.). «Защита от вируса Зика с помощью однократной вакцинации с использованием модифицированной нуклеозидами мРНК в низкой дозе». Nature . 543 (7644): 248–251. Bibcode :2017Natur.543..248P. doi :10.1038/nature21428. PMC 5344708 . PMID  28151488. мы разработали мощную вакцину против вируса Зика … содержащую модифицированный нуклеозид 1-метилпсевдоуридин (m1Ψ) 
  20. ^ Richner JM, Himansu S, Dowd KA, Butler SL, Salazar V, Fox JM и др. (март 2017 г.). «Модифицированные вакцины мРНК защищают от заражения вирусом Зика». Cell . 168 (6): 1114–1125.e10. doi :10.1016/j.cell.2017.02.017. PMC 5388441 . PMID  28222903. мРНК была синтезирована … где UTP был заменен на 1-метилпсевдоUTP 
  21. ^ abc Pardi N, Hogan MJ, Naradikian MS, Parkhouse K, Cain DW, Jones L и др. (июнь 2018 г.). «Вакцины с модифицированной нуклеозидами мРНК вызывают мощные реакции Т-фолликулярных хелперов и В-клеток зародышевого центра». Журнал экспериментальной медицины . 215 (6): 1571–1588. doi :10.1084/jem.20171450. PMC 5987916. PMID 29739835.  В этом исследовании мы характеризуем иммуногенность трех вакцин, состоящих из m1Ψ-модифицированных, очищенных FPLC мРНК-LNP, кодирующих оболочку ВИЧ-1 (Env), prM-E вируса Зика и гемагглютинин вируса гриппа (HA). 
  22. ^ Meyer M, Huang E, Yuzhakov O, Ramanathan P, Ciaramella G, Bukreyev A (январь 2018 г.). «Модифицированные вакцины на основе мРНК вызывают надежные иммунные ответы и защищают морских свинок от болезни, вызванной вирусом Эбола». Журнал инфекционных заболеваний . 217 (3): 451–455. doi :10.1093/infdis/jix592. PMC 5853918. PMID 29281112.  Были синтезированы две вакцины на основе мРНК… где UTP были заменены на 1-метилпсевдо UTP 
  23. ^ Мораис П., Адачи Х., Ю. ИТ. (2021-11-04). «Критический вклад псевдоуридина в вакцины мРНК COVID-19». Frontiers in Cell and Developmental Biology . 9 : 789427. doi : 10.3389 /fcell.2021.789427 . PMC 8600071. PMID  34805188. 
  24. ^ «Pfizer и BioNTech празднуют историческую первую авторизацию в США вакцины для профилактики COVID-19». www.businesswire.com . 12 декабря 2020 г.
  25. ^ Polack FP, Thomas SJ, Kitchin N, Absalon J, Gurtman A, Lockhart S и др. (декабрь 2020 г.). «Безопасность и эффективность вакцины BNT162b2 mRNA Covid-19». The New England Journal of Medicine . 383 (27): 2603–2615. doi : 10.1056/NEJMoa2034577. PMC 7745181. PMID 33301246.  S2CID 228087117  . 
  26. ^ Хоманн-Джедди С (10 ноября 2020 г.). «Hoffnungsträger BNT162b2: Wie funktionieren mRNA-Impfstoffe?». Pharmazeutische Zeitung (на немецком языке) . Проверено 28 ноября 2020 г.
  27. ^ Abbasi J (сентябрь 2020 г.). «COVID-19 и вакцины мРНК — первый крупный тест нового подхода». JAMA . 324 (12): 1125–1127. doi : 10.1001/jama.2020.16866 . PMID  32880613. S2CID  221476409.
  28. ^ Vogel A, Kanevsky I, Che Y, Swanson K, Muik A, Vormehr M и др. (8 сентября 2020 г.). «Предварительная вакцина с шиповидной РНК SARS-CoV-2 обладает высокой иммуногенностью и предотвращает инфекцию легких у нечеловекообразных приматов» (PDF) . bioRxiv . doi :10.1101/2020.09.08.280818. S2CID  221589144.
  29. ^ «Условия авторизации вакцины Pfizer/BioNTech COVID-19» (Решение). Агентство по регулированию лекарственных средств и изделий медицинского назначения. 8 декабря 2020 г.
  30. ↑ Офис комиссара (14 декабря 2020 г.). «Вакцина Pfizer-BioNTech COVID-19». www.fda.gov (Решение). FDA США .
  31. ^ Krammer F (октябрь 2020 г.). «Вакцины против SARS-CoV-2 в разработке». Nature . 586 (7830): 516–527. Bibcode :2020Natur.586..516K. doi : 10.1038/s41586-020-2798-3 . PMID  32967006. S2CID  221887746.
  32. ^ "Moderna's Pipeline". Moderna . Получено 28.11.2020 .
  33. ^ Долгин Э. (ноябрь 2020 г.). «Вакцины от COVID-19 готовы к запуску, но их влияние на пандемию неясно». Nature Biotechnology : d41587–020–00022-y. doi :10.1038/d41587-020-00022-y. PMID  33239758. S2CID  227176634.
  34. ^ "COVID-19". CureVac . Получено 21.12.2020 .
  35. ^ Долгин Э. (июнь 2021 г.). «Провал вакцины CureVac COVID освещает проблемы дизайна мРНК». Nature . 594 (7864): 483. Bibcode :2021Natur.594..483D. doi : 10.1038/d41586-021-01661-0 . PMID  34145413. S2CID  235480198.
  36. ^ Каур К, Занги Л (декабрь 2020 г.). «Модифицированная мРНК как терапевтический инструмент для сердца». Кардиоваскулярные препараты и терапия . 34 (6): 871–880. doi :10.1007/s10557-020-07051-4. PMC 7441140. PMID  32822006 . 
  37. ^ Zangi L, Lui KO, von Gise A, Ma Q, Ebina W, Ptaszek LM и др. (октябрь 2013 г.). «Модифицированная мРНК направляет судьбу клеток-предшественников сердца и индуцирует регенерацию сосудов после инфаркта миокарда». Nature Biotechnology . 31 (10): 898–907. doi :10.1038/nbt.2682. PMC 4058317 . PMID  24013197. 
  38. ^ Тер Хурн, Менно; Паркер, Бенджамин Л.; Лю, Нин Цин; Цянь, Элизабет Линг; Вивьен, Селин; Каравендзас, Кэти; Миллс, Ричард Дж.; Сэвилл, Дженнифер Т.; Абу-Бонсра, Дэд; Уайз, Андреа Ф.; Хадсон, Джеймс Э.; Талбот, Эндрю С.; Финн, Патрик Ф.; Мартини, Паоло Г. В.; Фуллер, Мария (2023-09-07). «Лечение модифицированной РНК GLA снижает уровни GB3 в кардиомиоцитах, полученных из iPSC, у лиц, страдающих болезнью Фабри». Американский журнал генетики человека . 110 (9): 1600–1605. doi :10.1016/j.ajhg.2023.07.013. ISSN  1537-6605. PMC 10502840. PMID  37607539 . 
  39. ^ Макнамара MA, Наир SK, Холл EK (2015). «Вакцины на основе РНК в иммунотерапии рака». Журнал исследований иммунологии . 2015 : 794528. doi : 10.1155/2015/794528 . PMC 4668311. PMID  26665011 . 
  40. ^ Verbeke R, Lentacker I, Wayteck L, Breckpot K, Van Bockstal M, Descamps B и др. (ноябрь 2017 г.). «Совместная доставка модифицированной нуклеозидами мРНК и агонистов TLR для иммунотерапии рака: восстановление иммуногенности иммуномолчащей мРНК». Journal of Controlled Release . 266 : 287–300. doi : 10.1016/j.jconrel.2017.09.041. PMID  28987878. S2CID  20794075.

Дальнейшее чтение

У Scholia есть профиль для модифицированной нуклеозидами матричной РНК (Q103194381).