今年诺贝尔生理学奖授予了对新冠mRNA疫苗至关重要的mRNA碱基修饰技术。其实自2021年起，颁奖给mRNA技术就呼声很高，不过在大众呼声最高的2021年“意外”没有给。


也是当年的“意外”，让我们可以在这次mRNA技术获奖后，迅速看到大量质量很好的分析文章。这篇文章写在2021年mRNA技术未获奖后，部分内容稍作改动以符合这两年的变化。


这次mRNA拿奖，准确地说是修饰mRNA技术获奖。该技术是现在mRNA疫苗的重要组成部分。但mRNA疫苗和以mRNA来表达某个蛋白的mRNA技术，靠多个科学基础才成真。自从mRNA新冠疫苗上市后时不时有假消息说mRNA疫苗会更改基因，或者称mRNA疫苗发明者说该技术危险，如果回顾mRNA疫苗的科学基础，就会发现这些是无稽之谈。


mRNA技术的理论基础


mRNA疫苗的基础是通过人为引入mRNA来表达一个基因这个概念。这建立在人类对中心法则的了解。中心法则描述了遗传物质的走向。对人体来说，遗传信息在DNA里，比如很多人非常纠结皮肤里的胶原蛋白。胶原蛋白的结构信息，都编码在DNA，然后DNA里的编码不是直接跳到蛋白质，而是经过RNA过渡。RNA这个“中介”也有几个部分，其中带着DNA里的遗传信息的是mRNA，还有tRNA、rRNA是负责制造RNA与蛋白质的，相当于mRNA是传递信息，其它“中介”各司其职。


有遗传物质走向的中心法则后，想象一下，我们可以通过引入DNA或RNA来表达一个蛋白。比如说一些医美广告说注射胶原蛋白如何如何，如果考虑中心法则，那么可以向细胞里引入带有胶原蛋白基因的DNA与RNA，然后让细胞自己以引入的基因编码为模板去制造胶原蛋白。类似授人以渔与授人以鱼的区别。


通过mRNA表达基因是mRNA疫苗的概念基础。这个想法很好。为什么？因为虽然DNA为载体表达外源基因已经有了很多广泛的应用，比如胰岛素的生产，还有现代农业的支柱之一转基因作物。但一些情况下用mRNA来表达基因要比引入DNA来表达有优势。


比如以DNA为载体在人体内表达一个基因就复杂很多。往往在长期与短期表达间无法找到平衡。像基因治疗，理论上希望一劳永逸，直接把导致疾病的基因“修好”，一次永久解决问题。但实际上要复杂得多。不像某些人想象的，吃了转基因食物人也变成转基因，人体不会直接吸收DNA片段，必须找个运输工具让人体细胞接受外源DNA。现在主要利用病毒载体。这又涉及到载体本身的安全性。总之异常复杂，最后的结果是，有时我们想一劳永逸，外源基因引入后却会随时间表达越来越少，可另外一些时候运输DNA的载体又能搞出些长期问题，比如跑到了不该去的地方，在人体基因组上走错路非常危险，极端情况下会导致细胞癌变。


相比之下，mRNA起作用的地方在细胞质，与DNA要到细胞核不同，处于细胞较靠外的部分，不会有影响人体基因组的风险，运输进细胞的“路”也短一些。而且mRNA本身就不稳定，一些场景下反倒避免了“夜长梦多”的风险。


总之，一，引入用mRNA来表达外源基因有遗传学理论基础，理论上可行；二，用mRNA来表达基因在某些情况有优势，现实中有需求。


困境与突破


理论上可行，现实中有需求，但不一定能做到。mRNA技术也是如此。科学家在尝试用mRNA来引入基因时，一直没法解决的问题是RNA本身的免疫原性非常强。


这也符合自然规律：太多病毒都是以RNA为基因组，免疫系统早就在漫长的演化中形成了对RNA的高度戒备。虽然人体细胞都用mRNA表达基因，但是如果遇到游离的RNA分子，那么人体的第一反应就是这家伙是病毒，需要立刻消灭。引入外源mRNA到动物或人体内，发生的情况是强烈的免疫反应直接把mRNA分子大卸八块。最后不光基因没表达，还因为强烈的免疫反应导致严重副作用。


这里说强烈刺激免疫系统的免疫原性是指刺激先天免疫系统。现在mRNA疫苗免疫原性也很好，但它们是在适当刺激先天免疫系统的情况下，成功走到下一步，就是刺激抗体等后天免疫系统，能形成良好的免疫记忆。过去mRNA那种免疫原性是连后天免疫的门都没摸到，直接造成了先天免疫的过激反应。如果换到新冠疫苗的情况，相当于打了以后高烧不退，最后一点抗体都没形成疫苗已经被降解了。


由于这个原因，mRNA技术的应用停滞了很长时间，曾被很多科学家认为没希望。这种怀疑不是没有道理，因为mRNA技术要解决的问题是怎么骗过人体免疫系统，而且它这还不是小偷小摸，基本是偷天换日的水平。


一个新冠病毒就搞得鸡犬不宁，人类甚至动物在进化史上都是和很多病毒不断斗争后才存活下来的。这个斗争的过程，人与动物能依靠的基本就是免疫系统。在自然界，游离的mRNA分子只有一种可能，就是个病毒。所以免疫系统千百万年进化下来，看到一个RNA分子在人体内游荡，要立刻辨别出来并且消灭。在这种情况下，说要让骗过人体免疫系统，放人造mRNA分子一马，确实有天方夜谭的嫌疑。


也是在这一背景下，RNA修饰技术的出现成了整个RNA技术成为现实的关键。这个RNA修饰技术就是2023年获得诺贝尔生理学奖的两位科学家Katalin Karikó与Drew Weissman研发出来的，自新冠mRNA疫苗成功后，把诺贝尔奖颁给他们两位的呼声一直非常高。


其中Karikó的经历非常波折，有过申请基金被拒，差点失业等经历。因为这些现在看来非常传奇，所以被很多媒体渲染报道。不过这些报道有点忽视了她挫折背后实际上对应了mRNA技术本身的困难。以申请科研基金为例，当时已经有科学家尝试以mRNA为载体来表达基因，然后以这种表达基因的方式作为药物递送，但就像之前说的，人体不感冒，你送一个我砍一个。基金评审的人自然要考虑这类项目是否是在做无用功。


同时，Karikó作为科学家也不是说众人皆醉我独醒，她不是简单重复之前的mRNA合成递送，觉得这样就能成功。她清楚认识到之前的方法有问题，如果不解决mRNA强烈的免疫原性，用mRNA来引入外源基因没法实现。所以她和Drew Weissman合作mRNA递送技术的研究很快就转向为如何降低mRNA分子的免疫刺激性。2005年，他们发现如果把mRNA中的U，也就是尿嘧啶做化学修饰，变成假尿嘧啶，mRNA分子不再强烈刺激免疫细胞。


这个发现就是mRNA修饰，该技术Moderna，BioNTech的新冠疫苗都在用。过去不是所有人都认为mRNA修饰是必需的，比如德国另一家公司CureVac觉得可以通过减少尿嘧啶的数量解决，被赛诺菲收购的Translate Bio是通过mRNA的其它结构优化（加帽），它们都认为这些都可以解决mRNA的免疫原性问题。当然，至少大规模使用并取得成功的mRNA疫苗证明mRNA修饰有效可行，也成了mRNA药物递送的主流。


除了解决免疫原性问题外，mRNA技术成功还仰赖很多其它科学突破。比如怎么把mRNA分子有效递送到人体内。直接把mRNA分子输入到人体内，效率会很低，如果不被人体细胞吸收，也没法有效。这里就涉及到了脂质体包裹技术的突破，即利用脂质分子把mRNA分子包裹起来，在大小上形成一个个纳米级别的颗粒。网上有些疫苗阴谋论拿纳米这个词做文章，其实纳米只是一个大小的量级。


有了mRNA修饰与纳米脂质载体，mRNA疫苗的发展也不是一帆风顺。像BioNTech与Moderna之前重心都不在疫苗研发，而是用mRNA技术在其它疾病暴发时递送药物，没有取得太大突破。即便是疫苗，Moderna过去做广谱流感疫苗，可人体中的免疫反应低于在动物模型中获得的结果，进度也就慢了下来。这次新冠疫苗的突破与新冠病毒本身的特点以及疫苗设计上近几年的突破也有很大关系。


结语


可以看出，mRNA疫苗或者mRNA技术，这样的科学突破并不是一两个人的工作，也不是简单的一个科学技术，而是很多科学进展连接在一起才能最终成就的。


也要看到，除了mRNA疫苗，新冠腺病毒疫苗、重组蛋白疫苗也有不错的有效性。体现了如今有很多很优秀的疫苗技术平台，这也是多年来无数细微的科技突破积累的结果。这里面绝大部分突破永远不可能出现在诺贝尔奖之类的讨论中，但给整个人类社会却有着非常重要的实质贡献。


参考资料：

https://www.nature.com/articles/nrd.2017.243

https://www.nature.com/articles/d41586-021-02483-w


本文来自微信公众号：一个生物狗的科普小园（ID：Story-about-Science），作者：Y博的科普园