mRNA技术不止用于对抗病毒

　　北京时间10月2日，瑞典卡罗琳医学院宣布，将2023年诺贝尔生理学或医学奖授予德国制药公司拜恩泰科的卡塔琳考里科（Katalin Karik）和美国宾夕法尼亚大学的德鲁韦斯曼（Drew Weissman），以表彰他们在核苷碱基修饰方面的发现。这些发现使得针对2019冠状病毒病（COVID-19，新型冠状病毒感染）的信使核糖核酸（mRNA）疫苗得以研发。

　　核苷碱基修饰与mRNA有何关系？mRNA的研究成果还将带来哪些重要影响？今天我们就来聊聊这个话题。

　　今年的诺贝尔生理学或医学奖实际上奖励的是mRNA的应用，尤其是在新冠疫情流行时，研究人员利用mRNA快速研发出mRNA新冠疫苗（即核酸疫苗），帮助人类有效应对了新冠病毒感染。

　　mRNA是细胞核中转录脱氧核糖核酸（DNA）的信使，两者都有核苷碱基，即遗传密码。1953年，沃森和克里克提出并证明了DNA双螺旋模型。随后在1958年，克里克提出“中心法则”，阐明生物是如何通过遗传信息产生蛋白质的：首先是以DNA为模板，通过转录产生RNA，然后以信使RNA为模板，通过翻译产生蛋白质，而蛋白质是生物学功能的直接执行者。

　　一言概之，所有高级生物都是按照这个中心法则来生产蛋白并维持生命的。而病毒，如冠状病毒则是通过把自己的RNA注入人体细胞，在人体细胞中复制和产生蛋白以维持自身存在，同时损害人体健康。

　　早在新冠病毒流行之前，研究人员就在探索以病毒（疾病）之道还治其身。具体来说，主要目标之一就是研制核酸疫苗，将病毒或病原体编码某种抗原蛋白的外源基因（DNA或RNA）直接导入到宿主（人体）细胞内，通过宿主细胞的表达系统合成抗原蛋白，后者再诱导宿主产生对该抗原蛋白的免疫应答，以达到预防和治疗疾病的目的。新冠mRNA疫苗就是通过把病毒的S蛋白导入人体细胞而发挥作用的。

　　但是，研制核酸疫苗需要两个基本条件：一是安全，二是有效。如果将mRNA直接注射到实验动物或人的体内，会引发强烈的非特异性免疫反应，诱发炎症，严重的可造成死亡。另一方面，mRNA具有稳定性差、对保存条件的要求较为严格、在体内表达效率低、无法产生足量蛋白质（抗原）等缺点，难以有效激发免疫系统产生抗病毒能力（细胞免疫和体液免疫）。因此，科学界和制药界一直不看好mRNA的应用前景，许多研究人员在经过尝试后纷纷放弃。说到这里，就不难理解此次诺贝尔生理学或医学奖得主之一考里科为此坚持了40年，却3次被大学辞退的原因。

　　幸好结局是美好的，考里科和韦斯曼的坚持为人类利用mRNA制造疫苗和药物奠定了基础。

　　考里科和韦斯曼在研究中注意到，生物体内的免疫细胞树突状细胞会将体外转录的mRNA识别为外源物质，从而导致其激活并释放炎症信号分子。因此，他们想搞清楚为什么体外转录的mRNA会被识别为外来物质，而哺乳动物自己细胞的mRNA就是“自己人”。同时，他们意识到，一些关键特性可能会区分外源性和内源性不同类型的mRNA。比如，哺乳动物细胞RNA中的碱基经常被化学修饰，而体外转录的mRNA则不会被修饰。这提示，体外转录的mRNA中没有改变的碱基，可能是导致人体发生炎症（免疫）反应的原因。

　　在随后的研究中，考里科和韦斯曼通过实验证明了mRNA的结构特征是先天免疫系统“Toll样受体”反应的主要原因。Toll样受体是一种单次跨膜蛋白，可识别侵入体内的微生物进而激活免疫细胞，在先天性免疫系统中起关键作用。之后需要弄清的是，什么样的mRNA结构才会引起免疫应答反应。为此，他们设计和生产了不同的mRNA变体，每个变体的碱基都有独特的化学改变，然后将这些mRNA变体传递给树突状细胞，结果令人吃惊：当碱基修饰包含在mRNA中时，炎症反应几乎被消除。这表明，细胞有识别和响应不同形式mRNA的规则。

　　考里科和韦斯曼发现，mRNA的一个碱基尿嘧啶（U）与核糖有两种连接方式，正常情况下形成尿苷，但特殊情况下可以形成假尿苷（）。恰恰是这个微小差产生了不同的结果假尿苷代替尿苷后，能形成一种特定的修饰mRNA，可以有效躲避免疫系统的识别而不再出现炎症反应。这就是此次诺贝尔生理学或医学奖的主角“核苷碱基修饰”。

　　经过这种修饰后的mRNA不受免疫系统的攻击，能在进入目标细胞后保持更持久的活性，并相应地产生抗原或其他对抗、治疗疾病的蛋白质（抗体）。考里科和韦斯曼的这个重要发现在2005年正式发表，比新冠疫情的发生早了15年。另外，二人在2008年和2010年发表的其他研究结果表明，与未修饰的mRNA相比，包含碱基修饰的mRNA显著增加了蛋白质产量。

　　因此，鉴于碱基修饰既能减少炎症反应，又能增加蛋白质产量这两方面的重大发现，可以说考里科和韦斯曼消除了mRNA临床应用道路上的关键障碍。

　　由于利用mRNA研发的新冠疫苗在遏制疫情上发挥了巨大作用，今年的诺贝尔生理学或医学奖又颁发给了制造mRNA疫苗的关键技术核苷碱基修饰，所以mRNA技术得到了空前的重视。

　　mRNA疫苗有很多优点，比如，能够模拟病毒的天然感染过程来激活免疫系统；多个mRNA可以被包装在同一款疫苗中，提高疫苗的适用性；不同的mRNA疫苗可以使用同一生产步骤和设施。与传统疫苗相比，mRNA疫苗更易于设计、生产速度快、成本低、能诱导细胞免疫和体液免疫，并且不与基因组DNA相互作用。当然，反应原性（即疫苗产生不良反应的倾向）与传统的灭活疫苗或非RNA疫苗相似，容易产生自身免疫反应的人可能会对mRNA疫苗产生不良反应。

　　mRNA疫苗正在以惊人的速度发展。目前，除了多种新冠mRNA疫苗之外，针对狂犬病、寨卡病毒、埃博拉等传染病，以及癌症、自身免疫病、罕见遗传病的mRNA疫苗也正在研发之中。

　　以癌症疫苗为例，现在研发的mRNA癌症疫苗主要是治疗性质的，其设计原理是让人的免疫系统可以精准区分肿瘤细胞和正常细胞，通过将肿瘤抗原以多种形式（如核酸、蛋白多肽等）导入患者体内，来刺激患者自身免疫系统的反应，从而对肿瘤细胞进行清除。

　　虽然不同肿瘤的抗原不同，但可以笼统地分为两大类：一是肿瘤相关抗原（TAA），在肿瘤表面高度表达，但在健康细胞表面是低度表达；二是肿瘤特异性抗原（TSA），是肿瘤细胞突变产生的新生抗原，仅在肿瘤中表达，具有高度免疫原性。

　　显而易见，利用肿瘤特异性抗原可以让疫苗具有特异性，即高效针对某一种癌症。不过，现阶段研发的mRNA癌症疫苗主要利用的还是肿瘤相关抗原，相信未来疫苗研发的重点必将聚焦到肿瘤特异性抗原的利用上。

　　与今年诺贝尔生理学或医学奖有较大关系的德国制药公司拜恩泰科也在研发一系列mRNA癌症疫苗，包括黑色素瘤、肠癌、皮肤癌、肺癌、头颈癌、前列腺癌和卵巢癌等，有的已经启动2期临床试验。以黑色素瘤mRNA癌症疫苗为例，研究人员把脂质纳米颗粒作为载体包裹编码4种黑色素瘤相关抗原（NY-ESO-1、MAGE-A3、tyrosinase、TPTE），制成了黑色素瘤疫苗BNT111。另外，美国塔夫茨工程学院的研究人员也针对黑色素瘤小鼠模型设计了新的方式。他们用微小的脂质气泡来包裹和传递编码黑色素瘤抗原的mRNA，当后者与小鼠淋巴系统的细胞融合后，细胞便可读取mRNA并产生黑色素瘤抗原，从而激活免疫系统，产生抗体。

　　总之，得益于核苷碱基修饰方面的发现，mRNA具备了更为广阔的应用前景，新冠疫苗只是其里程碑之一，未来在肿瘤预防和治疗领域的发展，将成为科学研究的重心。

　　尽管考里科获得了2023年诺贝尔生理学或医学奖，但令人难以想象的是，在此之前她只是个科学界的边缘人物，生活窘迫，职位低、工资低，几乎没有人愿意资助她和韦斯曼的研究。

　　考里科出生于匈牙利东部小镇，父亲是屠夫，母亲是会计员。1973年，考里科考入匈牙利名校塞格德大学，在一场学术报告会上第一次知道了mRNA它携带着DNA中的遗传信息，直接指导蛋白质的合成，承担着“传讯者”的角色。考里科对这种神奇的分子产生了浓厚的兴趣，于是在1978年选择攻读博士学位，重点研究mRNA的应用。

　　20世纪70年代，基因工程诞生，之后基因治疗应运而生，这些操作均是以DNA为目标的，但考里科认为mRNA更有前途。因此，她毕业后进入了匈牙利科学院塞格德生物研究中心生物物理研究所。

　　1985年，塞格德生物研究中心因缺少经费开始减员，考里科被裁员后申请到了美国天普大学的博士后职位。但在美国天普大学重启科研之后，考里科的发展并不顺利，因为她与导师关于mRNA的理解并不相同，当时科学界主流科研人员都不看好mRNA。

　　无奈之下，考里科于1990年转到宾夕法尼亚大学，但这所大学的同事也不认同mRNA的研究。没有成果的考里科在1995年被大学降职降薪，才得以保留职位。后来，考里科刚刚有了一些重要发现，学校又把她轰出了实验室，在动物房旁边安排了一个小房间让她办公。屋漏偏逢连阴雨，考里科患上了癌症，她一边接受治疗，一边照顾孩子，在年薪不到6万美元的情况下艰难度日。在艰难的研究和生活中，令考里科感到欣慰的是自己培养了一个优秀的女儿。她的女儿祖萨娜弗朗西亚是一名优秀的赛艇运动员，在2008年北京奥运会上获得了女子8人制赛艇项目金牌，又在4年后的2012年伦敦奥运会上，再次与队友夺得这一项目的冠军。

　　2013年，考里科与宾夕法尼亚大学再次产生矛盾，校方明确考里科对mRNA的研究既无价值，也无前景，因此拒绝恢复她1995年降薪的教师职位，而且在知识产权许可上与她产生分歧，大学将知识产权卖给了另一家公司。不得已，考里科选择辞职，加入德国制药公司拜恩泰科并担任高级副总裁。

　　虽然命运坎坷，但其间考里科也有贵人相助。1997年，考里科在宾夕法尼亚大学医学院复印科研资料时，偶然遇见刚加入医学院的免疫学家韦斯曼。韦斯曼对考里科的研究很感兴趣，决定资助她继续研究。韦斯曼此举可谓雪中送炭，更重要的是，两人的研究产生了互补效应，考里科主要负责mRNA改进，韦斯曼则负责免疫性检测。

　　之后，考里科和韦斯曼的研究逐渐获得资金支持。直到新冠疫情在全球暴发，依靠二人的发现，辉瑞/拜恩泰科和莫德纳率先研发出两款mRNA疫苗，保护率均达到95%，为新冠疫情的防控做出了巨大贡献。

　　现在，考里科这位一直默默无闻，因没有科研经费、没有科研成果3次被解雇，曾被数个大学实验室赶来赶去却仍然执着于mRNA免疫反应研究的科学家，终于得到了作为科学家最好的回报。

　　北京时间10月2日，瑞典卡罗琳医学院宣布，将2023年诺贝尔生理学或医学奖授予德国制药公司拜恩泰科的卡塔琳考里科（Katalin Karik）和美国宾夕法尼亚大学的德鲁韦斯曼（Drew Weissman），以表彰他们在核苷碱基修饰方面的发现。这些发现使得针对2019冠状病毒病（COVID-19，新型冠状病毒感染）的信使核糖核酸（mRNA）疫苗得以研发。

　　核苷碱基修饰与mRNA有何关系？mRNA的研究成果还将带来哪些重要影响？今天我们就来聊聊这个话题。

　　今年的诺贝尔生理学或医学奖实际上奖励的是mRNA的应用，尤其是在新冠疫情流行时，研究人员利用mRNA快速研发出mRNA新冠疫苗（即核酸疫苗），帮助人类有效应对了新冠病毒感染。

　　mRNA是细胞核中转录脱氧核糖核酸（DNA）的信使，两者都有核苷碱基，即遗传密码。1953年，沃森和克里克提出并证明了DNA双螺旋模型。随后在1958年，克里克提出“中心法则”，阐明生物是如何通过遗传信息产生蛋白质的：首先是以DNA为模板，通过转录产生RNA，然后以信使RNA为模板，通过翻译产生蛋白质，而蛋白质是生物学功能的直接执行者。

　　一言概之，所有高级生物都是按照这个中心法则来生产蛋白并维持生命的。而病毒，如冠状病毒则是通过把自己的RNA注入人体细胞，在人体细胞中复制和产生蛋白以维持自身存在，同时损害人体健康。

　　早在新冠病毒流行之前，研究人员就在探索以病毒（疾病）之道还治其身。具体来说，主要目标之一就是研制核酸疫苗，将病毒或病原体编码某种抗原蛋白的外源基因（DNA或RNA）直接导入到宿主（人体）细胞内，通过宿主细胞的表达系统合成抗原蛋白，后者再诱导宿主产生对该抗原蛋白的免疫应答，以达到预防和治疗疾病的目的。新冠mRNA疫苗就是通过把病毒的S蛋白导入人体细胞而发挥作用的。

　　但是，研制核酸疫苗需要两个基本条件：一是安全，二是有效。如果将mRNA直接注射到实验动物或人的体内，会引发强烈的非特异性免疫反应，诱发炎症，严重的可造成死亡。另一方面，mRNA具有稳定性差、对保存条件的要求较为严格、在体内表达效率低、无法产生足量蛋白质（抗原）等缺点，难以有效激发免疫系统产生抗病毒能力（细胞免疫和体液免疫）。因此，科学界和制药界一直不看好mRNA的应用前景，许多研究人员在经过尝试后纷纷放弃。说到这里，就不难理解此次诺贝尔生理学或医学奖得主之一考里科为此坚持了40年，却3次被大学辞退的原因。

　　幸好结局是美好的，考里科和韦斯曼的坚持为人类利用mRNA制造疫苗和药物奠定了基础。

　　考里科和韦斯曼在研究中注意到，生物体内的免疫细胞树突状细胞会将体外转录的mRNA识别为外源物质，从而导致其激活并释放炎症信号分子。因此，他们想搞清楚为什么体外转录的mRNA会被识别为外来物质，而哺乳动物自己细胞的mRNA就是“自己人”。同时前列腺临床试验，他们意识到，一些关键特性可能会区分外源性和内源性不同类型的mRNA。比如，哺乳动物细胞RNA中的碱基经常被化学修饰，而体外转录的mRNA则不会被修饰。这提示，体外转录的mRNA中没有改变的碱基，可能是导致人体发生炎症（免疫）反应的原因。

　　在随后的研究中，考里科和韦斯曼通过实验证明了mRNA的结构特征是先天免疫系统“Toll样受体”反应的主要原因。Toll样受体是一种单次跨膜蛋白，可识别侵入体内的微生物进而激活免疫细胞，在先天性免疫系统中起关键作用。之后需要弄清的是，什么样的mRNA结构才会引起免疫应答反应。为此，他们设计和生产了不同的mRNA变体，每个变体的碱基都有独特的化学改变，然后将这些mRNA变体传递给树突状细胞，结果令人吃惊：当碱基修饰包含在mRNA中时，炎症反应几乎被消除。这表明，细胞有识别和响应不同形式mRNA的规则。

　　考里科和韦斯曼发现，mRNA的一个碱基尿嘧啶（U）与核糖有两种连接方式，正常情况下形成尿苷，但特殊情况下可以形成假尿苷（）。恰恰是这个微小差产生了不同的结果假尿苷代替尿苷后，能形成一种特定的修饰mRNA，可以有效躲避免疫系统的识别而不再出现炎症反应。这就是此次诺贝尔生理学或医学奖的主角“核苷碱基修饰”。

　　经过这种修饰后的mRNA不受免疫系统的攻击，能在进入目标细胞后保持更持久的活性，并相应地产生抗原或其他对抗、治疗疾病的蛋白质（抗体）。考里科和韦斯曼的这个重要发现在2005年正式发表，比新冠疫情的发生早了15年。另外，二人在2008年和2010年发表的其他研究结果表明，与未修饰的mRNA相比，包含碱基修饰的mRNA显著增加了蛋白质产量。

　　因此，鉴于碱基修饰既能减少炎症反应，又能增加蛋白质产量这两方面的重大发现，可以说考里科和韦斯曼消除了mRNA临床应用道路上的关键障碍。

　　由于利用mRNA研发的新冠疫苗在遏制疫情上发挥了巨大作用，今年的诺贝尔生理学或医学奖又颁发给了制造mRNA疫苗的关键技术核苷碱基修饰，所以mRNA技术得到了空前的重视。

　　mRNA疫苗有很多优点，比如，能够模拟病毒的天然感染过程来激活免疫系统；多个mRNA可以被包装在同一款疫苗中，提高疫苗的适用性；不同的mRNA疫苗可以使用同一生产步骤和设施。与传统疫苗相比，mRNA疫苗更易于设计、生产速度快、成本低、能诱导细胞免疫和体液免疫，并且不与基因组DNA相互作用。当然，反应原性（即疫苗产生不良反应的倾向）与传统的灭活疫苗或非RNA疫苗相似，容易产生自身免疫反应的人可能会对mRNA疫苗产生不良反应。

　　mRNA疫苗正在以惊人的速度发展。目前，除了多种新冠mRNA疫苗之外，针对狂犬病、寨卡病毒、埃博拉等传染病，以及癌症、自身免疫病、罕见遗传病的mRNA疫苗也正在研发之中。

　　以癌症疫苗为例，现在研发的mRNA癌症疫苗主要是治疗性质的，其设计原理是让人的免疫系统可以精准区分肿瘤细胞和正常细胞，通过将肿瘤抗原以多种形式（如核酸、蛋白多肽等）导入患者体内，来刺激患者自身免疫系统的反应，从而对肿瘤细胞进行清除。

　　虽然不同肿瘤的抗原不同，但可以笼统地分为两大类：一是肿瘤相关抗原（TAA），在肿瘤表面高度表达，但在健康细胞表面是低度表达；二是肿瘤特异性抗原（TSA），是肿瘤细胞突变产生的新生抗原，仅在肿瘤中表达，具有高度免疫原性。

　　显而易见，利用肿瘤特异性抗原可以让疫苗具有特异性，即高效针对某一种癌症。不过，现阶段研发的mRNA癌症疫苗主要利用的还是肿瘤相关抗原，相信未来疫苗研发的重点必将聚焦到肿瘤特异性抗原的利用上。

　　与今年诺贝尔生理学或医学奖有较大关系的德国制药公司拜恩泰科也在研发一系列mRNA癌症疫苗，包括黑色素瘤、肠癌、皮肤癌、肺癌、头颈癌、前列腺癌和卵巢癌等，有的已经启动2期临床试验。以黑色素瘤mRNA癌症疫苗为例，研究人员把脂质纳米颗粒作为载体包裹编码4种黑色素瘤相关抗原（NY-ESO-1、MAGE-A3、tyrosinase、TPTE），制成了黑色素瘤疫苗BNT111。另外，美国塔夫茨工程学院的研究人员也针对黑色素瘤小鼠模型设计了新的方式。他们用微小的脂质气泡来包裹和传递编码黑色素瘤抗原的mRNA，当后者与小鼠淋巴系统的细胞融合后，细胞便可读取mRNA并产生黑色素瘤抗原，从而激活免疫系统，产生抗体。

　　总之，得益于核苷碱基修饰方面的发现，mRNA具备了更为广阔的应用前景，新冠疫苗只是其里程碑之一，未来在肿瘤预防和治疗领域的发展，将成为科学研究的重心。

　　尽管考里科获得了2023年诺贝尔生理学或医学奖，但令人难以想象的是，在此之前她只是个科学界的边缘人物，生活窘迫，职位低、工资低，几乎没有人愿意资助她和韦斯曼的研究。

　　考里科出生于匈牙利东部小镇，父亲是屠夫，母亲是会计员。1973年，考里科考入匈牙利名校塞格德大学，在一场学术报告会上第一次知道了mRNA它携带着DNA中的遗传信息，直接指导蛋白质的合成，承担着“传讯者”的角色。考里科对这种神奇的分子产生了浓厚的兴趣，于是在1978年选择攻读博士学位，重点研究mRNA的应用。

　　20世纪70年代，基因工程诞生，之后基因治疗应运而生，这些操作均是以DNA为目标的，但考里科认为mRNA更有前途。因此，她毕业后进入了匈牙利科学院塞格德生物研究中心生物物理研究所。

　　1985年，塞格德生物研究中心因缺少经费开始减员，考里科被裁员后申请到了美国天普大学的博士后职位。但在美国天普大学重启科研之后，考里科的发展并不顺利，因为她与导师关于mRNA的理解并不相同，当时科学界主流科研人员都不看好mRNA。

　　无奈之下，考里科于1990年转到宾夕法尼亚大学，但这所大学的同事也不认同mRNA的研究。没有成果的考里科在1995年被大学降职降薪，才得以保留职位。后来，考里科刚刚有了一些重要发现，学校又把她轰出了实验室，在动物房旁边安排了一个小房间让她办公。屋漏偏逢连阴雨，考里科患上了癌症，她一边接受治疗，一边照顾孩子，在年薪不到6万美元的情况下艰难度日。在艰难的研究和生活中，令考里科感到欣慰的是自己培养了一个优秀的女儿。她的女儿祖萨娜弗朗西亚是一名优秀的赛艇运动员，在2008年北京奥运会上获得了女子8人制赛艇项目金牌，又在4年后的2012年伦敦奥运会上，再次与队友夺得这一项目的冠军。

　　2013年，考里科与宾夕法尼亚大学再次产生矛盾，校方明确考里科对mRNA的研究既无价值，也无前景，因此拒绝恢复她1995年降薪的教师职位，而且在知识产权许可上与她产生分歧，大学将知识产权卖给了另一家公司。不得已，考里科选择辞职，加入德国制药公司拜恩泰科并担任高级副总裁。

　　虽然命运坎坷，但其间考里科也有贵人相助。1997年，考里科在宾夕法尼亚大学医学院复印科研资料时，偶然遇见刚加入医学院的免疫学家韦斯曼。韦斯曼对考里科的研究很感兴趣，决定资助她继续研究。韦斯曼此举可谓雪中送炭，更重要的是，两人的研究产生了互补效应，考里科主要负责mRNA改进，韦斯曼则负责免疫性检测。

　　之后，考里科和韦斯曼的研究逐渐获得资金支持。直到新冠疫情在全球暴发，依靠二人的发现，辉瑞/拜恩泰科和莫德纳率先研发出两款mRNA疫苗，保护率均达到95%，为新冠疫情的防控做出了巨大贡献。

　　现在，考里科这位一直默默无闻，因没有科研经费、没有科研成果3次被解雇，曾被数个大学实验室赶来赶去却仍然执着于mRNA免疫反应研究的科学家，终于得到了作为科学家最好的回报。mRNA技术不止用于对抗病毒