2023年諾貝爾生理學或醫學獎：mRNA改變世界

張田勘

研制mRNA疫苗的難點

今年的諾貝爾生理學或醫學獎所獎勵的“核苷堿基修飾方面的發現”與信使核糖核酸（mRNA）的臨床應用有關。在新冠病毒感染疫情（簡稱新冠疫情）大流行時，研究人員利用mRNA快速研發出安全有效的mRNA新冠疫苗，即核酸疫苗，幫助人類抵御住了新冠疫情的猛烈攻勢。

RNA主要包括mRNA、tRNA和rRNA三種，其中mRNA又名信使RNA，因為mRNA是細胞核中轉錄脫氧核糖核酸（DNA）的信使。DNA和mRNA都有核苷堿基，即遺傳密碼。DAN的4個堿基是A、T、G和C，而mRNA的4個堿基是A、U、G和C，對應DNA中的4個遺傳密碼。

1953年，沃森和克里克提出并證明了DNA雙螺旋模型。1958年，克里克提出“中心法則”，闡明了生物通過遺傳信息產生蛋白質的過程：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，而蛋白質是生物學功能的直接執行者。所有高級生物都按照“中心法則”生產蛋白質并維持生命。病毒（如冠狀病毒）也是通過將其RNA注入人體細胞，并在人體細胞中復制、生產蛋白質以維持自身的存在，但它們的存在會損害人體健康。

早在新冠疫情大規模流行之前，研究人員就已經開始探索“以病毒之道，還治病毒之身”，其主要目標之一是研制核酸疫苗。核酸疫苗的作用機理是將病原體（如病毒）編碼某種抗原蛋白的外源基因（DNA或RNA）直接導入宿主（人體）的細胞內，通過宿主細胞的表達系統合成抗原蛋白；會誘導宿主產生對該抗原蛋白的免疫應答，以達到預防和治療疾病的目的。用于預防新冠病毒感染的mRNA疫苗也是一種核酸疫苗，其原理是將通過體外轉錄合成的mRNA以注射的方式“送入”人體細胞；接下來，人體細胞便會利用mRNA攜帶的基因信息合成S蛋白；隨后，S蛋白會激活人體免疫系統，產生抗體和細胞免疫反應，從而起到預防新冠病毒感染的作用。

疫苗在投入臨床使用前，必須滿足兩個基本條件：一是安全，二是有效。在mRNA疫苗研發初期，研究者發現，將病毒的mRNA直接注射到實驗動物體內或人體內后，會引發強烈的非特異性免疫反應（炎癥反應），甚至可能導致宿主死亡。此外，mRNA穩定性差，需要在極低的溫度下儲存和運輸，在人體內表達效率低，無法產生足量蛋白（抗原），因此，難以有效激發免疫系統產生抗病毒能力（細胞免疫和體液免疫）?？茖W界和制藥界在新冠疫情流行之前一直不看好mRNA疫苗的應用前景，許多研究人員在經過嘗試后紛紛放棄。但是，卡里科和魏斯曼堅持研究mRNA，最終取得了重大發現，為人類利用mRNA制造疫苗和藥物奠定了基礎，掃清了障礙。

什么是核苷堿基修飾

卡里科和魏斯曼在研究中注意到，生物體內的樹突狀細胞（一種免疫細胞）將體外轉錄合成的mRNA識別為外源物質，從而導致這種免疫細胞被激活并釋放炎癥信號分子。因此，他們想弄清，為什么體外轉錄合成的mRNA（外源性mRNA）會被識別為外來物質，而實驗動物自身的mRNA（內源性mRNA）卻不會產生同樣的反應?？ɡ锟坪臀核孤庾R到，一些關鍵特性會讓機體區分出外源性mRNA和內源性mRNA。

卡里科和魏斯曼知道，哺乳動物細胞中RNA的堿基經常被化學修飾，而體外轉錄合成的mRNA則不會被修飾。這提示他們，體外轉錄合成的mRNA中沒有改變的堿基可能是導致人體發生炎癥反應的根本原因。

在隨后的研究中，卡里科和魏斯曼通過實驗進一步證實了mRNA的結構特征會導致先天免疫系統中的Toll樣受體發生反應，從而引發炎癥反應。Toll樣受體是一種單次跨膜蛋白，可識別侵入體內的病原體，進而激活免疫細胞，在先天免疫系統中起關鍵作用。

那么，用什么物質修飾mRNA的結構才能避免機體產生炎癥反應呢？為此，卡里科和魏斯曼設計并合成了不同的mRNA變體，每個變體的堿基都有獨特的化學變化，然后將這些mRNA變體傳遞給樹突狀細胞。實驗結果令人吃驚，當堿基修飾包含在mRNA中時，炎癥反應幾乎完全消失了。這表明，細胞有識別和響應不同形式的mRNA的范式和規則。

卡里科和魏斯曼在后來的研究中發現，令炎癥反應消失的根本原因是假尿苷與尿苷的替換。他們發現，mRNA的一個堿基—尿嘧啶（U）與核糖有兩種連接方式，在正常情況下會形成尿苷，但在特殊情況下可以形成假尿苷，這一微小的差別產生了截然不同的結果?？ɡ锟坪臀核孤€發現，使用假尿苷代替尿苷后，能形成一種被修飾的mRNA，它能避開免疫系統的攻擊，機體便不再出現炎癥反應。這種“修飾”被稱為核苷堿基修飾。

經過進一步研究后，兩位科學家得出結論，經過核苷堿基修飾的mRNA既可以不受免疫系統的攻擊，也能在進入目標細胞后更持久地保持活性，并相應地產生抗原或其他對抗外來病原體的蛋白質（抗體）。2005年，卡里科和魏斯曼正式發表了這項重要發現。

卡里科和魏斯曼在2008年和2010年發表的其他研究結果表明，與未經修飾的mRNA相比，向機體內遞送經過核苷堿基修飾的mRNA顯著增加了蛋白質產量。核苷堿基修飾不僅能減少炎癥反應，還能增加蛋白質的產量，可以說，卡里科和魏斯曼已經消除了mRNA在臨床應用上的關鍵障礙。

卡里科在美國天普大學重啟科研工作，但進展并不順利。她與導師對于mRNA的理解不同，而且大部分該領域的科研人員都不看好mRNA的研究。無奈之下，未能得到導師支持的卡里科于1990年轉至賓夕法尼亞大學繼續進行研究工作。然而，這里的同儕也不認同卡里科帶來的mRNA研究項目。1995年，沒有成果的卡里科不得不以降職降薪的方式勉強保住職位。在卡里科剛剛取得一些科研突破時，學校卻把她轟出了實驗室，在動物房邊上給她安排了一個小房間，她在那里既要辦公，又要做實驗。

屋漏又逢連夜雨，在賓夕法尼亞大學遭遇降職降薪期間，卡里科又被診斷出患上了癌癥，接受了兩次手術。與此同時，她的丈夫由于簽證問題滯留在匈牙利，長達半年無法返回美國，一切家庭重擔都要由她一人承擔。她一邊接受治療，一邊照顧孩子，在年薪微薄的情況下艱難度日。

幸運的是，卡里科沒有因生活的重壓而倒下，依然全身心地投入研究工作。1997年，卡里科在賓夕法尼亞大學醫學院復印科研資料時，遇見了剛加入醫學院的免疫學家魏斯曼。在閑聊中，卡里科得知，魏斯曼的主要研究方向是艾滋病病毒疫苗，他對卡里科研究的mRNA項目很感興趣。通過不斷交流，魏斯曼從免疫學家的角度發現，卡里科的研究極為重要，因此決定資助她繼續開展研究。不久之后，卡里科的項目正式成為“魏斯曼-卡里科項目”。魏斯曼的幫助可謂雪中送炭，除了資金支持，同樣重要的還有精神鼓勵。更重要的是，兩人的研究產生了互補效應。合作中，卡里科主要負責mRNA相關技術的改進，魏斯曼則負責免疫性檢測。2005年，他們發現了mRNA引發機體免疫應答（產生炎癥）的原因。

2006年，在賓夕法尼亞大學工作期間，卡里科和魏斯曼申請了第一個mRNA相關專利—含修飾核苷酸的mRNA制備及應用，主要涉及無免疫原性、包含核苷酸修飾等特性的mRNA。2013年，卡里科與賓夕法尼亞大學再次產生矛盾，校方認為卡里科對mRNA的研究既無價值，也無前景，拒絕給她升職，而且在知識產權許可上與她產生分歧，學校將相關知識產權賣給了一家公司?？ɡ锟浦缓眠x擇辭職，加入拜恩泰科公司并擔任高級副總裁。

不過，隨著研究進展柳暗花明，卡里科和魏斯曼的項目逐漸獲得了更多的資金支持。2020年，新冠疫情在全球范圍內迅速蔓延，依靠卡里科和魏斯曼的發現，科研人員在短時間內成功研發了兩款mRNA疫苗，成為對抗新冠疫情的利器。與此同時，默默無聞40多年、因缺少科研經費和成果而多次面臨窘境的卡里科終于獲得了科學界的認可，成為生物醫學領域備受矚目的科學家。

在充滿艱難險阻的科學探索之旅中，卡里科和魏斯曼不懼壓力、堅持不懈，摘下了科學領域的桂冠；在跌宕起伏的人生路上，卡里科以超出常人的堅韌和勇氣鼓勵了所有身處逆境的跋涉者，最終贏得了全世界的掌聲。

【責任編輯】張小萌