Przełom w badaniach nad terapeutycznym mRNA

W ostatnich latach obserwujemy olbrzymie zainteresowanie nowatorskimi terapeutykami z pogranicza chemii i biologii. Wśród nich chyba najbardziej obiecujące są terapie oparte na mRNA, czyli informacyjnym kwasie rybonukleinowym stanowiącym komórkowy przepis na białko. mRNA o dowolnie wybranej sekwencji może być z łatwością syntetyzowane w probówce. Jednak ze względu na swe naturalne cechy, takie jak niestabilność i immunogenność, terapeutyczne mRNA musi być odpowiednio zaprojektowane, aby spełniało warunki stawiane terapeutykom. Podczas pandemii mieliśmy do czynienia ze spektakularnym wykorzystaniem technologii mRNA w szczepionkach antycovidowych. Ale potencjał mRNA jest znacznie większy, jest ono również testowane w leczeniu nowotworów, chorób genetycznych, aż po terapie komórkowe i medycynę regeneracyjną.

Jednak przy projektowaniu takich terapeutyków kluczowa jest wiedza na temat właściwości i metabolizmu mRNA w komórkach. Jednym z ważnych aspektów metabolizmu mRNA jest fakt, że co najmniej trzy nukleotydy na końcu 5’ mRNA ulegają swego rodzaju znakowaniu grupami metylowymi. Niektóre z tych metylacji są rozpoznawane przez specyficzne białka zaangażowane w różne etapy ekspresji informacji genetycznej, niektóre stanowią swoisty znacznik odróżniający mRNA człowieka od RNA patogenów takich jak wirusy, natomiast rola innych nie została dotychczas poznana. Niektóre z tych metylacji są nieodwracalne, inne wydają się być przejściowym mechanizmem regulatorowym.

Fot. Michał Łepecki W niniejszym projekcie podjęliśmy się syntezy narzędzi do otrzymywania mRNA w różnorodny sposób metylowanych na końcu 5’. Narzędzia te zostały wykorzystane do zbadania wpływu poszczególnych metylacji na właściwości biologiczne mRNA, w szczególności te istotne z punktu widzenia zastosowań terapeutycznych. Dzięki zdobytej wiedzy zaproponowaliśmy rozwiązania, które istotnie zwiększa produktywność mRNA, dzięki czemu z tej samej ilości mRNA w komórkach powstanie znacznie więcej białka. Kluczową pozycją do modyfikacji była pozycja, która często ulega naturalnym zmianom w warunkach komórkowych – m6Am. Jest to tzw. modyfikacja posttranskrypcyjna, która zachodzi w komórkach już po biosyntezie mRNA. Jest ona odwracalna, w komórkach istnieje enzym zdolny do jej usuwania (FTO). Choć funkcja tej naturalnej modyfikacji nie została dotychczas poznana, to badania wskazują, że ma ona związek z większą produktywnością mRNA. W naszych badaniach grupa metylowa została zastąpiona znacznie większą – grupą benzylową (AvantCap). Okazało się, że doskonale imituje ona naturalną modyfikację pod względem własności mRNA, ale nie jest podatna na działanie enzymu FTO, dzięki czemu syntetyczne mRNA jest niejako aktywowane pod względem produktywności, a enzym FTO nie może tej aktywacji wyłączyć. W praktyce pożądane białko, na produkcję którego instrukcja zapisana jest w takiej cząsteczce mRNA, jest wytwarzane w znacznie większych ilościach.

Cząsteczka mRNA modyfikowana AvantCap’em wykazuje u myszy nawet sześciokrotnie większą produktywność. Oznacza to, że przepis na produkcję konkretnego białka zawarty w tak zmodyfikowanej cząsteczce spowoduje powstanie ponad sześciokrotnie więcej białka w porównaniu do mRNA wykorzystującego technologię zastosowaną w szczepionkach antycovidowych. Podając tak zmodyfikowane mRNA, będzie można uzyskać w organizmie efekt terapeutyczny przy znacznie niższej dawce. W pewnych specyficznych warunkach ta różnica bywa jeszcze większa (nawet stukrotna).

Mechanizm działania tego wynalazku nie jest do końca jasny. Wiadomo, że pewne naturalne modyfikacje zachodzące po transkrypcji mRNA w komórkach nadają cząsteczkom wyższy priorytet w translacji. Takie cząsteczki w pewnych warunkach są skuteczniej odkodowywane, co prowadzi do zwiększenia produkcji określonych typów białek niezbędnych dla komórki. Wydaje się, że ta modyfikacja daje taki właśnie rezultat – cząsteczki uzyskują pierwszeństwo w kolejce do wytwarzania białek. Jest to rozwiązanie, które może stać się przełomem w zastosowaniach trudniejszych niż szczepionki antywirusowe. Praca na ten temat została opublikowana w prestiżowym czasopiśmie „Journal of the American Chemical Society”.