Изменения, которые помогают мессенджерной РНК сохраняться в живых клетках, могут препятствовать синтезу белка.
Даже после миллиардов доз, введенных во время пандемии, вакцины на основе мРНК все еще преподносят сюрпризы. В опубликованном недавно исследовании показано, что они могут неожиданно побудить клетки вырабатывать небольшое количество непредусмотренных белков. Нет никаких доказательств того, что эти ошибки ставят под угрозу безопасность вакцин COVID-19, которые спасли миллионы жизней, и исследователи уже предложили решение, которое может помочь сделать будущие вакцины или препараты на основе мРНК более безопасными и даже эффективными.
Другие ученые говорят, что в новой публикации в журнале Nature нет ничего тревожного, и соглашаются, что она может помочь улучшить дизайн препаратов на основе мРНК, которые еще находятся в стадии разработки. Это "эпохальное исследование" позволяет по-новому взглянуть на то, как клетки создают белки на основе как естественных, так и искусственных мРНК, заявил вирусолог Стивен Гриффин из Университета Лидса. Он добавил, что "некоторые из будущих терапевтических применений РНК-технологий, помимо вакцин, могут предполагать более высокую и частую дозировку, поэтому все возможные проблемы должны быть рассмотрены".
Нити мРНК передают чертежи, закодированные в генах клеток, механизму производства белков - рибосомам. Рибосомы считывают мРНК по три основания за раз, и каждый из этих так называемых кодонов определяет аминокислоту в белке. Потенциальные мРНК-вакцины и терапия состоят из искусственной мРНК, которая несет в себе рецепт определенного белка. В случае с вакцинами цель состоит в том, чтобы вызвать иммунный ответ на белок - например, белок шипа коронавируса. Терапия с помощью мРНК направлена на то, чтобы заставить собственные клетки человека производить белок, который поможет вылечить заболевание.
Но поскольку обнаружение чужеродной РНК часто означает нападение вируса, клетки обычно распознают и уничтожают ее. Каталин Карико и Дрю Вайсман из Пенсильванского университета несколько десятилетий назад обнаружили, что если изменить одно из оснований мРНК, заменив уридин на псевдоуридин, то модифицированная нить сможет избежать разрушения достаточно долго, чтобы клетки смогли произвести нужный белок. Исследование, за которое они получили Нобелевскую премию, помогло ускорить разработку потенциальных мРНК-вакцин и терапий.
Однако в новой работе выяснилось, что стратегия модификации РНК имеет подвох. Токсикологи из Кембриджского университета Энн Уиллис и Джеймс Тавентиран и их коллеги задались вопросом, как псевдоуридин может повлиять на процесс создания белка. Рибосомы иногда неправильно транслируют природные мРНК, и исследователи хотели узнать, случаются ли такие ошибки чаще, если в них вставлены измененные основания. Они сконструировали мРНК, которые побуждали клетки в лабораторных условиях производить флуоресцентный белок только в том случае, если рибосома "соскальзывала" и начинала неправильно считывать трехбуквенные кодоны - ошибка, известная как сдвиг рамки. С естественными мРНК это обычно приводит к образованию неактивных белков, которые расщепляются клеткой.
Исследователи обнаружили, что мРНК, содержащие псевдоуридин, используемый в вакцинах COVID-19 компаний Pfizer и Moderna, гораздо чаще вызывают сдвиг рамки белка, чем мРНК с обычным уридином. В их экспериментах примерно 8 % белков, произведенных на основе экспериментальных мРНК, были сдвинуты по рамке.
Чтобы проверить, проявляется ли тот же эффект в организме, ученые сравнили иммунные реакции мышей, привитых мРНК-вакциной COVID-19 компании Pfizer или менее распространенной вакциной на основе ДНК компании AstraZeneca. Они обнаружили, что у мышей, вакцинированных вакциной Pfizer, вырабатывались антитела к белкам, вызванным сдвигом рамки, в то время как у животных, вакцинированных вакциной AstraZeneca, этого не происходило.
Затем исследователи изучили иммунные реакции у 20 человек, получивших вакцину AstraZeneca, и 21 человека, получившего вакцину Pfizer. Образцы крови примерно трети людей, получивших вакцину Pfizer, показали иммунную реакцию на сдвинутые по рамке белки, в то время как ни один из образцов, взятых у людей, получивших вакцину AstraZeneca, не показал такой реакции. Никто из людей не сообщил о каких-либо побочных эффектах, вызванных вакциной, и, по словам исследователей, нет никаких доказательств того, что сдвинутый по рамке белок вреден.
Авторы подчеркивают, что их работа не указывает на то, что вакцины COVID-19 небезопасны. Карико отмечает, что сдвиг рамки часто происходит естественным образом, когда инфицированные клетки производят вирусные белки. По ее словам, эти белки со сдвигом рамки могут естественным образом усиливать иммунный ответ организма, так что возможно, что вакцины COVID-19, нацеленные на спайк, даже получат дополнительный стимул от неправильного прочтения. В ответ на вопрос о новой работе компания Pfizer не стала напрямую комментировать ее результаты, но в своем заявлении сообщила, что ее вакцины имеют "положительный профиль соотношения пользы и риска". Представитель компании Moderna отказался от комментариев.
Но Тавентиран утверждает, что сдвиг рамки может быть более важным в других областях применения технологии мРНК, таких как вакцины против рака, предназначенные для запуска иммунного ответа на специфические белки опухоли. Онкологические больные, скорее всего, уже получали другие виды терапии, изменяющие их иммунитет, поэтому они могут быть более уязвимы для ошибочных белков и любых иммунных реакций, которые они могут вызвать.
Дальнейшие эксперименты позволили найти причину сдвига рамок и возможный способ избежать его. Группа обнаружила, что рибосомы замедляются, когда встречают псевдоуридины, особенно если последовательность содержит несколько из них подряд. Вероятно, это происходит потому, что измененные основания "не так хорошо подходят" рибосомам, как стандартные, что повышает вероятность сдвига рамки. Но есть и простое решение, говорят исследователи. Поскольку мРНК может использовать несколько кодонов для одной аминокислоты, молекулы могут быть сконструированы таким образом, чтобы избежать кодонов, склонных к проскальзыванию. Например, разработчики мРНК могут использовать последовательность UUC (два псевдоуридина и цитидин) вместо UUU (три псевдоуридина). Обе последовательности кодируют одну и ту же аминокислоту, но первая будет давать меньше ошибок. Это все равно что писать "мама" вместо "мам", - поясняет Уиллис. "Это означает одно и то же".
Исследователи разработали алгоритм, который выявляет потенциально проблемные последовательности и заменяет их на те, которые с меньшей вероятностью могут привести к ошибкам. Благодаря синонимичным кодонам получается все тот же белок, только более качественный, говорит Уиллис. "Это так просто исправить, вот что радует".
Рольф Маршалек, молекулярный биолог из Франкфуртского университета имени Гете, говорит, что хотел бы увидеть больше доказательств, прежде чем убедится в том, что сдвиг рамки - это серьезная проблема для модифицированных мРНК. Однако он согласен с тем, что новая работа не является поводом для беспокойства о безопасности мРНК вакцин COVID-19. "Гораздо более серьезной проблемой является то, что люди недооценивают вариант Омикрон и не получают обновленный бустер", - считает он.
