剛剛，宣布2023年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎將授予德國生物技術公司BioNTech的Katalin Karik和美國賓夕法尼亞大學教授Drew Weissman，以表彰他們的工作發(fā)現(xiàn)核堿基修飾導致了針對COVID-19 的有效mRNA 疫苗的開發(fā)。兩位科學家的突破性研究使得高效的COVID-19 mRNA疫苗得以快速開發(fā)，他們因此獲得了多個獎項，包括2022年美國突破獎和2021年拉斯克基礎醫(yī)學研究獎（The Lasker Awards），迄今為止，共有225位科學家榮獲諾貝爾生理學或醫(yī)學獎（截至2022年），剛剛獲獎的卡塔琳·卡里科是第13位獲得該獎的女科學家。在卡塔琳·卡里科之前，獲得該獎項的女科學家包括格蒂·科里（Gertie Corey，1947 年）、羅莎琳·薩斯曼·耶洛（Rosalyn Sussman Yello，1977 年）和芭芭拉·麥克林托克（Barbara McClintock，1983 年）。年）、麗塔·萊維-蒙塔爾奇尼(1986)、格特魯?shù)隆·埃利恩(1988)、克里斯汀·紐斯林-沃哈德(1995)、琳達·巴克(2004)、弗朗索瓦絲·巴-西諾西(2008)、伊麗莎白·布萊克本(2009)、卡羅爾·格雷德( 2009）、麥布里特·莫澤（2014）和屠呦呦（2015）。郭小強撰、嚴思雨編輯|劉楚野水 Katalin Karik Drew Weissman 自COVID-19疫情以來，輝瑞-BioNTech和Moderna的mRNA疫苗得到了廣泛應用，該疫苗遞送的mRNA可以指導細胞產生新冠病毒刺突蛋白，從而觸發(fā)表達人類抗體。但幾十年來，mRNA疫苗被認為不可行，因為注射mRNA會誘發(fā)不必要的免疫反應，導致mRNA立即降解。圖1 Katalin Karik 和Drew Weissman 大約在2005 年，Katalin Karik 和Drew Weissman 發(fā)現(xiàn)mRNA 中的一個基因可以通過用稱為偽尿苷的類似分子替換稱為尿苷的分子來避免這種免疫反應。 2020年4月，作為被寄予厚望的結束COVID-19大流行的關鍵工具，《紐約時報》發(fā)表了一篇長文，介紹了mRNA疫苗以及該技術背后的Carrico。從此，65歲的卡里科才被大眾所熟知。這一年，mRNA技術幾乎包攬了所有重大科學獎項。然而，在此前的學術研究生涯中，卡里科本人始終未能獲得終身教職，后來選擇加入德國生物技術公司BioNTech取得進步。進入工業(yè)界。 mRNA技術的另一個不可忽視的重要貢獻者是Carrico在賓夕法尼亞大學的同事、免疫學家Drew Weisman。兩人相識于1997 年，當時韋斯曼剛剛成為賓夕法尼亞大學的新教員。兩人在使用學校的復印機時偶然相遇。他們一邊等待一邊聊天，互相介紹了彼此的工作，從而促成了以后的合作。 mRNA與疫苗1953年，DNA雙螺旋模型的提出，不僅證明了DNA是遺傳信息的載體，而且確立了DNA的重要地位。 1958年，克里克提出“中心法則”，詳細闡明了遺傳信息的流向。首先，以DNA為模板，通過轉錄產生RNA；然后以mRNA為模板，通過翻譯產生蛋白質，而蛋白質是生物功能的直接紐帶。執(zhí)行者。 1961年，研究人員正式發(fā)現(xiàn)了mRNA，從而開始了對這種生物大分子的系統(tǒng)研究。

很快，研究人員破譯了mRNA的遺傳密碼，并建立了mRNA和蛋白質之間的線性關系。即知道m(xù)RNA序列可以確定蛋白質信息，知道蛋白質序列在一定程度上也可以推斷出mRNA信息。這一發(fā)現(xiàn)極大地促進了mRNA的發(fā)展和應用。使用mRNA 的想法可以追溯到20 世紀70 年代末，但研究直到20 世紀90 年代才開始。將mRNA直接注射到動物體內后，科研人員發(fā)現(xiàn)這些mRNA可以產生活性蛋白質并執(zhí)行特定的生物學功能。這意味著mRNA也可以完成傳統(tǒng)上使用蛋白質可以實現(xiàn)的目標。但在疫苗中使用mRNA 的嘗試遇到了許多挑戰(zhàn)。合格的疫苗需要滿足兩個基本條件：一是安全性。由于疫苗是給健康人使用的，安全性要求極其嚴格；第二，有效性。只有達到一定的防護率，才能真正遏制疾病的傳播。作為疫苗，mRNA在兩個方面都存在問題。首先，直接將mRNA注射到實驗動物體內會引發(fā)強烈的非特異性免疫反應，嚴重時會導致死亡；其次，mRNA穩(wěn)定性差（對保存條件要求較嚴格），在體內表達效率低（不能產生足夠的蛋白質）。不能真正激發(fā)抗病毒能力。因此，科學界和藥學界并不看好mRNA的應用前景，不少研究人員在嘗試后就放棄了。但當時是生物化學家的卡里科堅持了下來，她最終與韋斯曼合作解決了mRNA疫苗應用中的許多問題。例如：通過對體外合成的mRNA進行堿基修飾，大大削弱免疫原性，從而減少非特異性毒性反應的發(fā)生；通過去除mRNA的混合雙鏈RNA，進一步降低毒性，同時提高蛋白翻譯效率，從而實現(xiàn)特異性免疫。響應增加。但正如卡里科在接受采訪時感嘆的那樣，“現(xiàn)在大家都明白了mRNA技術的重要性，但遺憾的是當時還不存在?！睆男傺览矫绹?955年，卡里科出生于匈牙利東部小鎮(zhèn)小新薩。拉什從小就對自然科學感興趣。 1972年，卡里科進入匈牙利最著名的大學之一塞格德大學，并于1977年結識了未來的丈夫貝拉·弗朗西亞。1978年，卡里科在塞格德大學獲得博士學位，隨后在塞格德生物研究所工作。研究中心，主要研究RNA。 1985年，塞格德生物研究中心因缺乏資金開始裁減人員。被解雇后，卡里科申請了美國坦普爾大學的博士后職位，并離開了匈牙利。 1989年，她從天普大學來到賓夕法尼亞大學醫(yī)學院，在Elliot Barnathan實驗室擔任研究員。當時，她和Barnason正試圖將mRNA注入細胞中，看看是否可以產生蛋白質，然后利用同位素技術來看看這些蛋白質在細胞中的位置和作用方式。然而，RNA技術當時并沒有被外界接受。后來，巴納森離開學術界，去了一家制藥公司?？ɡ锟剖チ酥С郑瑥氐资チ搜芯拷?jīng)費來源。 1997年是卡里科研究生涯的一個重要轉折點。她偶然在賓夕法尼亞大學醫(yī)學院遇見了剛加入醫(yī)學院的新教員韋斯曼。韋斯曼向她介紹自己正在研究HIV疫苗，卡里科介紹道，“我是一名RNA科學家，可以做任何與mRNA相關的事情?！碑敃r，韋斯曼想要開發(fā)一種艾滋病疫苗。他認為自己可以嘗試一下卡里科的mRNA技術，于是韋斯曼將卡里科引入了他的實驗室。

韋斯曼1959年8月31日出生于美國馬薩諸塞州列克星敦，小時候就表現(xiàn)出了良好的科學天賦。他最喜歡做的事就是拆解。他超強的動手能力也促使韋斯曼更加傾向于研究自然科學。 1981年，魏斯曼畢業(yè)于布蘭代斯大學，獲得生物化學/酶學學士和碩士學位。韋斯曼進入波士頓大學醫(yī)學院并最終于1987 年獲得醫(yī)學學位和免疫學/微生物學博士學位后，在貝斯以色列女執(zhí)事醫(yī)療中心(BIDMC) 完成了住院醫(yī)師培訓。 1989年，韋斯曼放棄成為一名醫(yī)生，選擇加入美國國立衛(wèi)生研究院安東尼·福奇實驗室從事博士后研究，重點研究傳染病。 1997年，38歲的韋斯曼加入賓夕法尼亞大學，正式開始自己的獨立職業(yè)生涯，在那里他結識了科研好友卡里科。完美的合作Weismann-Carrico 的合作是一個非常成功的例子，原因有兩個，一是知識互補，二是一個幸運的選擇。疫苗是mRNA最好的應用方向。盡管mRNA提供了無限的可能性，但疫苗無疑是最成功的。如果不是疫苗而是藥物，可能需要幾年甚至幾十年的時間。而且，他們的合作時機也恰到好處。 1996年，科學家發(fā)現(xiàn)了先天免疫機制，為避免mRNA免疫反應提供了必要的理論支持。這意味著，如果他們合作早，那么mRNA應用的問題就很難解決，如果合作太晚，其他人可能會搶先一步。雖然合作方案已經(jīng)達成，但實際執(zhí)行中仍存在不少困難。消除炎癥反應成為mRNA疫苗研發(fā)的重中之重。 Carrico更多地負責mRNA的改進，而Weisman則負責免疫檢測。我們先補充一些基礎知識。免疫系統(tǒng)具有識別“自身”和“非自身”的能力，體外合成的mRNA會被先天免疫系統(tǒng)當作“非自身”外來入侵者處理和破壞，因此無法到達細胞來發(fā)揮其作用。 mRNA是由四種核苷酸按不同順序排列形成的單鏈結構。這四種核苷酸的堿基不同，分別對應于腺嘌呤(A)、鳥嘌呤(G) 和胞嘧啶(C)。和尿嘧啶（U）。 Weissman 和Crick 的研究轉向如何操縱RNA 來逃避免疫系統(tǒng)的監(jiān)視。經(jīng)過幾年的反復試驗和改進，兩人終于在2005年發(fā)現(xiàn)，mRNA引發(fā)免疫反應的問題是由尿嘧啶（U）引起的，尿嘧啶有兩種與核糖連接的方式。正常情況下，會形成尿苷。 （下圖左），但特殊情況下也會形成假尿苷（）（下圖右）。正是這種微小的差異產生了不同的后果。 Weissman和Crick發(fā)現(xiàn)，用代替U形成的修飾mRNA可以有效避免被免疫系統(tǒng)識別，不再引起炎癥反應。圖2 天然mRNA（左）和修飾的mRNA（右）。這項發(fā)明發(fā)表在著名的《》雜志上，同時申請了專利，這是推動mRNA應用的里程碑。 mRNA疫苗的應用與開發(fā)2005年，斯坦福大學博士后Derrick Rossi注意到Carrico和Weisman發(fā)表在《》上的論文。他認為這篇文章具有開創(chuàng)性。當時他主要從事干細胞研究，希望利用這種修飾過的mRNA對成熟細胞進行重編程，恢復到干細胞狀態(tài)。 2009年，羅西的研究取得了進展，于是他把研究結果告訴了哈佛醫(yī)學院的制藥企業(yè)家蒂莫西·斯普林格(Timothy Springer)。

斯普里格隨后告訴資深學者羅伯特·蘭格，后者建議羅西可以利用“這項技術來開發(fā)藥物、疫苗和所有其他可能性”。 2010 年，Rossi、Lange、Spriger 和Kenneth Chien 創(chuàng)立了Moderna 公司。羅西于2014 年從Moderna 退休，目前在Moderna 沒有任何職位。 2006年，卡里科和韋斯曼還創(chuàng)立了一家公司RNARx，卡里科擔任首席執(zhí)行官。此后，RNARx 已獲得90 萬美元的政府資助。然而，2010年，賓夕法尼亞大學將卡里科和韋斯曼的專利賣給了實驗室供應商Cellscript的老板加里·達爾(Gary Dahl)。尚未進入臨床試驗的RNARx項目就夭折了。此后，Moderna投資公司之一的Flagship Pioneering找到了Carrico，但遺憾的是當時該專利已經(jīng)被出售。由于沒有專利授權，Moderna 不得不修改核酸本身并復制Carrico 的結果。 2014年，Moderna獲得了自己的專利。同時，Gary Dahl還將Carrico和Weismann的核心專利轉讓給了Moderna和BioNTech。 2013年，賓夕法尼亞大學沒有與卡里科續(xù)約，因此她加入BioNTech擔任副校長。當時，BioNTech還是一家小公司，甚至沒有自己的網(wǎng)站。加入公司后，Carrico 繼續(xù)研究改進mRNA 技術。比如保護mRNA分子，使其能夠保存更長時間，因為mRNA非常不穩(wěn)定，通常需要超低溫才能保存。 2015年，卡里科發(fā)現(xiàn)，用脂質納米顆粒涂覆它們可以防止它們降解太快，并促進它們進入細胞。從那時起，mRNA才真正開始在人體上進行測試。目前有7-8個mRNA疫苗試驗項目正在進行中，但尚未成功批準上市。人們并不相信這項技術能夠發(fā)揮出巨大的價值。圖3 mRNA疫苗|資料來源：Nik Spencer/Nature；改編自U. ahin 等人。 Nature Rev. 藥物發(fā)現(xiàn)。 13, 759780 (2014) 和X. Hou 等人。自然牧師馬特。 https://doi.org/gmjsn5（2021）。沒想到，COVID-19疫情加速了mRNA疫苗的臨床進展。它已逐漸被證明是一種高效的疫苗工具，成為遏制COVID-19疫情的重要工具。羅西此前在接受媒體采訪時表示，卡里科和韋斯曼應該獲得諾貝爾獎。 “如果有一天有人讓我推薦諾貝爾獎候選人，我會推薦他們，因為這是一個結合基礎科學研究的團體。這些故事進入了診所并拯救了世界?！?Moderna 聯(lián)合創(chuàng)始人Chien 也表示：“包括Moderna 在內的所有mRNA 公司的工作都歸功于Carrico 和Weissman 的原創(chuàng)工作。如果沒有他們的發(fā)現(xiàn)，RNA 疫苗就不會像現(xiàn)在這樣先進。 “保護mRNA并將其輸送到細胞中加上諾貝爾獎，mRNA技術在過去的幾年里贏得了該領域幾乎所有的重要獎項，但與幾乎所有獲獎領域一樣，科學突破絕不只是一個人或一個人的工作。 2021年9月，《自然》（）發(fā)表了一篇長文《》，回顧了mRNA技術的發(fā)展歷程，從mRNA的發(fā)現(xiàn)，到mRNA的人工合成，再到如何修飾mRNA來降低免疫反應。作者Elie Dolgin采訪了大量科學家，向我們展示了在mRNA疫苗領域，除了呼聲很高的Carrico和Weisman之外，還有一個重要的技術， —— 脂質納米顆粒(LNP)，是一種微小的脂滴，可以保護mRNA 并將其輸送到細胞中。該技術來自不列顛哥倫比亞大學生物化學家Pieter Cullis 及其創(chuàng)立或管理的多家公司。在加拿大。

當他在牛津大學做博士后時，他從物理學轉到了生物化學。在與同事的合作中，他接觸到了生物膜中脂質的結構特性。從此，他被脂質多態(tài)性深深吸引。開始了50年的研究。自20 世紀90 年代末以來，他的實驗室和公司率先使用LNP 來傳遞可以滅活基因的核酸鏈。圖4 彼得·卡利斯(Pieter Cullis) |資料來源：UBC 的Paul Joseph 2012 年，Cullis 的兩家公司開始轉型，探索LNP 遞送系統(tǒng)在mRNA 藥物中的應用前景。例如，溫哥華的Acuitas Therapeutics公司正在與賓夕法尼亞大學Weisman團隊以及多家mRNA公司合作，共同測試不同比例的mRNA-LNP。其中一種組合已用于BioNTech 和CureVac 的COVID-19 疫苗中。 Moderna 的LNP 復合體類似。納米粒子含有四種脂質分子：三種決定結構和穩(wěn)定性；三種決定結構和穩(wěn)定性。第四種稱為可電離脂質，是LNP 有效性的關鍵。該物質在實驗條件下帶正電荷，與Felgner 開發(fā)并由Malone 在20 世紀80 年代末測試的脂質體具有類似的優(yōu)點。但庫利斯和商業(yè)伙伴開發(fā)的可電離脂質在生理條件下（例如在血液中）可以變成中性，這可以減少對人類的毒性。無論是修飾的mRNA還是LNP，沒有一家公司能在2020年之前完成全部臨床試驗。面對突如其來的COVID-19疫情，Moderna和BioNTech行動起來。其中，Moderna與美國國家過敏和傳染病研究所（NIAID）合作進行小鼠研究和人體試驗，耗時不到10周。 2020年3月，BioNTech與紐約制藥公司輝瑞合作，在不到8個月的破紀錄時間內完成了從首次人體試驗到緊急使用批準的過程。雖然mRNA 發(fā)展史上的一些人認為他們應該得到更多的認可，包括馬龍，但其他人更愿意分享這一榮譽。回顧過去，不少與會者表示很高興mRNA疫苗能為人類帶來改變，也很幸運能夠做出寶貴的貢獻。 “每個人都在做出貢獻，包括我，”卡里科告訴《自然》?！秴⒖兼溄印?[1]https://mujeresconciencia.com/2021/01/21/katalin-kariko-la-bioquimica-que-entendio-como-utilizar-el-arn-mensajero-para-curarnos-e-inmunizarnos/[2]https://u -szeged.hu/news-and-events/2021/katalin-kariko-an-alumna[3]https://www.wired.co.uk/article/mrna-vaccine-revolution-katalin-kariko[4]https://www.nytimes.com /2021/04/08/health/coronavirus-mrna-kariko.html[5]https://edition.cnn.com/2020/12/16/us/katalin-kariko-covid-19-vaccine-scientist-trnd/index.html [6]https://en.wikipedia.org/wiki/Katalin_Karik%C3%B3[7]Karik, K.Buckstein, M.Houping, N. Weissman, D. Immunity 23, 165175 (2005).[8] https://www.nature.com/articles/d41586-021-02483-w utm_source=Wechatutm_medium=socialsutm_campaign=d41586-021-02483-w

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來源：知識分子編輯：阿博