Нобелевскую премию по медицине и физиологии дали за РНК-вакцины
Модифицируя генетические буквы в молекулах РНК, можно создать безопасные вакцины нового поколения, в том числе и против коронавирусной инфекции.
Строго говоря, Нобелевскую премию дали не за саму идею РНК-вакцин. О них думали едва ли не с конца 80-х годов прошлого века, но создать их долгое время не получалось. Потребовались «нобелевские» открытия в области молекулярной и клеточной биологии, благодаря которым безопасные РНК-вакцины стали возможны. Тут нужно хотя бы коротко сказать, что это такое. Любая вакцина показывает иммунитету образец патогена – бактерии ли, вируса – с кем он должен сразу же начать бороться, как только патоген появится в организме. Вакцина может представлять собой, например, просто инактивированный («убитый») вирус – сам он причинить вреда не сможет, а иммунитет его запомнит. Или же можно показать некий фрагмент вируса, который иммунные клетки и белки могут распознавать лучше всего. Фрагмент – это вирусный белок или кусок белка; их можно наработать биотехнологическими методами. Но любой белок закодирован в ДНК. Можно ввести саму ДНК с вирусным белком в организм, и наши клетки синтезируют вакцинный белок для нашего же иммунитета – так работают ДНК-вакцины.
Однако между ДНК, в которой закодирован белок, и самим белком есть посредник – матричная РНК, или мРНК. Информация с ДНК копируется в мРНК, потому что клеточные белок-синтезирующие машины могут считывать информацию только с мРНК. Как можно догадаться, РНК-вакцина – это когда в организм вводят молекулы мРНК, которые кодируют вакцинный белок или его фрагмент. У ДНК- и РНК-вакцин есть свои плюсы: иммунитет, скажем так, лучше понимает, на что он должен реагировать, когда вирусные белки предъявляют ему наши собственные клетки. У РНК-вакцин есть преимущество перед ДНК-вакцинами, потому что с вакцинной РНК можно сразу начинать синтез белка.
Код белка – это последовательность четырёх генетических букв, или четырёх азотистых оснований в составе нуклеиновой кислоты. В ДНК это аденин (А), тимин (Т), гуанин (G) и цитозин (С). В РНК – аденин (А), гуанин (G), цитозин (С) и урацил (U), который стоит в РНК вместо тимина. Синтезировать мРНК на ДНК-шаблоне в лабораторной пробирке можно сколько угодно, был бы нужный фермент и сырьё для синтеза. Но если просто взять и синтезировать вакцинную матричную РНК, потом очистить из реакционной смеси и ввести в организм, мы получим сильное воспаление, и сама РНК стремительно разрушится. Наши клетки постоянно синтезируют огромные количества мРНК, но никакое воспаление нас не беспокоит. Значит, мРНК из пробирки чем-то отличается от природной.
Именно тут начинаются исследования Каталин Карико (Katalin Karikó) и Дрю Вайссмана (Drew Weissman), которые привели их к Нобелевской премии. Карико и Вайссман выяснили, какие иммунные клетки и рецепторы раздражаются на «ненатуральную» мРНК и что именно их в ней раздражает. Оказалось, что в клеточной матричной РНК (и не только матричной) некоторые азотистые основания химически модифицированы. Например, к цитозину в определённой месте прикрепляется метильная группа, и он становится метилцитозином. На смысл генетического текста это не влияет, то есть белок-синтезирующий аппарат работает с метилцитозином так же, как с цитозином; то же самое касается других букв. Однако модификации на мРНК успокаивают иммунитет, точнее, не дают ему реагировать на РНК как на чужеродную и потенциально опасную молекулу.
Модификации не только позволяют избежать воспаления. На модифицированной мРНК синтезируется значительно больше белка, чем на мРНК без модификаций. Для вакцинной мРНК важно, чтобы белка на ней синтезировалось побольше – чтобы иммунитет уж точно понял, что именно он должен распознавать. Так что сведения о модификациях генетических букв в РНК оказались полезны вдвойне.
Работы Карико и Вайссмана – пример того, как прикладные проблемы влекут за собой открытия в фундаментальных областях науки, а фундаментальные открытия в ответ отзываются прогрессом в биотехнологии. Молекулярные секреты матричной РНК, которые делают её «своей» для иммунитета и помогают белок-синтезирующим машинам производить больше белка, оказались очень кстати в недавнюю эпидемию SARS-CoV-2. Новый коронавирус изрядно подстегнул разработки РНК-вакцин, которые вскоре вышли на биотехнологический рынок. Коронавирусный импульс пока не затих, и компании, занимающиеся РНК-вакцинами, обещают в ближайшем будущем сделать такие вакцины против целого ряда инфекционных болезней, вплоть до малярии, туберкулёза и лихорадки Эбола.
Каталин Карико и Дрю Вайссман.
По материалам Нобелевского комитета.