刚刚，宣布2023年诺贝尔生理学或医学奖将授予德国生物技术公司BioNTech的Katalin Karik和美国宾夕法尼亚大学教授Drew Weissman，以表彰他们的工作发现核碱基修饰导致了针对COVID-19 的有效mRNA 疫苗的开发。两位科学家的突破性研究使得高效的COVID-19 mRNA疫苗得以快速开发，他们因此获得了多个奖项，包括2022年美国突破奖和2021年拉斯克基础医学研究奖（The Lasker Awards），迄今为止，共有225位科学家荣获诺贝尔生理学或医学奖（截至2022年），刚刚获奖的卡塔琳·卡里科是第13位获得该奖的女科学家。在卡塔琳·卡里科之前，获得该奖项的女科学家包括格蒂·科里（Gertie Corey，1947 年）、罗莎琳·萨斯曼·耶洛（Rosalyn Sussman Yello，1977 年）和芭芭拉·麦克林托克（Barbara McClintock，1983 年）。年）、丽塔·莱维-蒙塔尔奇尼(1986)、格特鲁德·B·埃利恩(1988)、克里斯汀·纽斯林-沃哈德(1995)、琳达·巴克(2004)、弗朗索瓦丝·巴-西诺西(2008)、伊丽莎白·布莱克本(2009)、卡罗尔·格雷德( 2009）、麦布里特·莫泽（2014）和屠呦呦（2015）。郭小强撰、严思雨编辑|刘楚野水 Katalin Karik Drew Weissman 自COVID-19疫情以来，辉瑞-BioNTech和Moderna的mRNA疫苗得到了广泛应用，该疫苗递送的mRNA可以指导细胞产生新冠病毒刺突蛋白，从而触发表达人类抗体。但几十年来，mRNA疫苗被认为不可行，因为注射mRNA会诱发不必要的免疫反应，导致mRNA立即降解。图1 Katalin Karik 和Drew Weissman 大约在2005 年，Katalin Karik 和Drew Weissman 发现mRNA 中的一个基因可以通过用称为伪尿苷的类似分子替换称为尿苷的分子来避免这种免疫反应。 2020年4月，作为被寄予厚望的结束COVID-19大流行的关键工具，《纽约时报》发表了一篇长文，介绍了mRNA疫苗以及该技术背后的Carrico。从此，65岁的卡里科才被大众所熟知。这一年，mRNA技术几乎包揽了所有重大科学奖项。然而，在此前的学术研究生涯中，卡里科本人始终未能获得终身教职，后来选择加入德国生物技术公司BioNTech取得进步。进入工业界。 mRNA技术的另一个不可忽视的重要贡献者是Carrico在宾夕法尼亚大学的同事、免疫学家Drew Weisman。两人相识于1997 年，当时韦斯曼刚刚成为宾夕法尼亚大学的新教员。两人在使用学校的复印机时偶然相遇。他们一边等待一边聊天，互相介绍了彼此的工作，从而促成了以后的合作。 mRNA与疫苗1953年，DNA双螺旋模型的提出，不仅证明了DNA是遗传信息的载体，而且确立了DNA的重要地位。 1958年，克里克提出“中心法则”，详细阐明了遗传信息的流向。首先，以DNA为模板，通过转录产生RNA；然后以mRNA为模板，通过翻译产生蛋白质，而蛋白质是生物功能的直接纽带。执行者。 1961年，研究人员正式发现了mRNA，从而开始了对这种生物大分子的系统研究。

很快，研究人员破译了mRNA的遗传密码，并建立了mRNA和蛋白质之间的线性关系。即知道mRNA序列可以确定蛋白质信息，知道蛋白质序列在一定程度上也可以推断出mRNA信息。这一发现极大地促进了mRNA的发展和应用。使用mRNA 的想法可以追溯到20 世纪70 年代末，但研究直到20 世纪90 年代才开始。将mRNA直接注射到动物体内后，科研人员发现这些mRNA可以产生活性蛋白质并执行特定的生物学功能。这意味着mRNA也可以完成传统上使用蛋白质可以实现的目标。但在疫苗中使用mRNA 的尝试遇到了许多挑战。合格的疫苗需要满足两个基本条件：一是安全性。由于疫苗是给健康人使用的，安全性要求极其严格；第二，有效性。只有达到一定的防护率，才能真正遏制疾病的传播。作为疫苗，mRNA在两个方面都存在问题。首先，直接将mRNA注射到实验动物体内会引发强烈的非特异性免疫反应，严重时会导致死亡；其次，mRNA稳定性差（对保存条件要求较严格），在体内表达效率低（不能产生足够的蛋白质）。不能真正激发抗病毒能力。因此，科学界和药学界并不看好mRNA的应用前景，不少研究人员在尝试后就放弃了。但当时是生物化学家的卡里科坚持了下来，她最终与韦斯曼合作解决了mRNA疫苗应用中的许多问题。例如：通过对体外合成的mRNA进行碱基修饰，大大削弱免疫原性，从而减少非特异性毒性反应的发生；通过去除mRNA的混合双链RNA，进一步降低毒性，同时提高蛋白翻译效率，从而实现特异性免疫。响应增加。但正如卡里科在接受采访时感叹的那样，“现在大家都明白了mRNA技术的重要性，但遗憾的是当时还不存在。”从匈牙利到美国1955年，卡里科出生于匈牙利东部小镇小新萨。拉什从小就对自然科学感兴趣。 1972年，卡里科进入匈牙利最著名的大学之一塞格德大学，并于1977年结识了未来的丈夫贝拉·弗朗西亚。1978年，卡里科在塞格德大学获得博士学位，随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资金开始裁减人员。被解雇后，卡里科申请了美国坦普尔大学的博士后职位，并离开了匈牙利。 1989年，她从天普大学来到宾夕法尼亚大学医学院，在Elliot Barnathan实验室担任研究员。当时，她和Barnason正试图将mRNA注入细胞中，看看是否可以产生蛋白质，然后利用同位素技术来看看这些蛋白质在细胞中的位置和作用方式。然而，RNA技术当时并没有被外界接受。后来，巴纳森离开学术界，去了一家制药公司。卡里科失去了支持，彻底失去了研究经费来源。 1997年是卡里科研究生涯的一个重要转折点。她偶然在宾夕法尼亚大学医学院遇见了刚加入医学院的新教员韦斯曼。韦斯曼向她介绍自己正在研究HIV疫苗，卡里科介绍道，“我是一名RNA科学家，可以做任何与mRNA相关的事情。”当时，韦斯曼想要开发一种艾滋病疫苗。他认为自己可以尝试一下卡里科的mRNA技术，于是韦斯曼将卡里科引入了他的实验室。

韦斯曼1959年8月31日出生于美国马萨诸塞州列克星敦，小时候就表现出了良好的科学天赋。他最喜欢做的事就是拆解。他超强的动手能力也促使韦斯曼更加倾向于研究自然科学。 1981年，魏斯曼毕业于布兰代斯大学，获得生物化学/酶学学士和硕士学位。韦斯曼进入波士顿大学医学院并最终于1987 年获得医学学位和免疫学/微生物学博士学位后，在贝斯以色列女执事医疗中心(BIDMC) 完成了住院医师培训。 1989年，韦斯曼放弃成为一名医生，选择加入美国国立卫生研究院安东尼·福奇实验室从事博士后研究，重点研究传染病。 1997年，38岁的韦斯曼加入宾夕法尼亚大学，正式开始自己的独立职业生涯，在那里他结识了科研好友卡里科。完美的合作Weismann-Carrico 的合作是一个非常成功的例子，原因有两个，一是知识互补，二是一个幸运的选择。疫苗是mRNA最好的应用方向。尽管mRNA提供了无限的可能性，但疫苗无疑是最成功的。如果不是疫苗而是药物，可能需要几年甚至几十年的时间。而且，他们的合作时机也恰到好处。 1996年，科学家发现了先天免疫机制，为避免mRNA免疫反应提供了必要的理论支持。这意味着，如果他们合作早，那么mRNA应用的问题就很难解决，如果合作太晚，其他人可能会抢先一步。虽然合作方案已经达成，但实际执行中仍存在不少困难。消除炎症反应成为mRNA疫苗研发的重中之重。 Carrico更多地负责mRNA的改进，而Weisman则负责免疫检测。我们先补充一些基础知识。免疫系统具有识别“自身”和“非自身”的能力，体外合成的mRNA会被先天免疫系统当作“非自身”外来入侵者处理和破坏，因此无法到达细胞来发挥其作用。 mRNA是由四种核苷酸按不同顺序排列形成的单链结构。这四种核苷酸的碱基不同，分别对应于腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G) 和胞嘧啶(C)。和尿嘧啶（U）。 Weissman 和Crick 的研究转向如何操纵RNA 来逃避免疫系统的监视。经过几年的反复试验和改进，两人终于在2005年发现，mRNA引发免疫反应的问题是由尿嘧啶（U）引起的，尿嘧啶有两种与核糖连接的方式。正常情况下，会形成尿苷。 （下图左），但特殊情况下也会形成假尿苷（）（下图右）。正是这种微小的差异产生了不同的后果。 Weissman和Crick发现，用代替U形成的修饰mRNA可以有效避免被免疫系统识别，不再引起炎症反应。图2 天然mRNA（左）和修饰的mRNA（右）。这项发明发表在著名的《》杂志上，同时申请了专利，这是推动mRNA应用的里程碑。 mRNA疫苗的应用与开发2005年，斯坦福大学博士后Derrick Rossi注意到Carrico和Weisman发表在《》上的论文。他认为这篇文章具有开创性。当时他主要从事干细胞研究，希望利用这种修饰过的mRNA对成熟细胞进行重编程，恢复到干细胞状态。 2009年，罗西的研究取得了进展，于是他把研究结果告诉了哈佛医学院的制药企业家蒂莫西·斯普林格(Timothy Springer)。

斯普里格随后告诉资深学者罗伯特·兰格，后者建议罗西可以利用“这项技术来开发药物、疫苗和所有其他可能性”。 2010 年，Rossi、Lange、Spriger 和Kenneth Chien 创立了Moderna 公司。罗西于2014 年从Moderna 退休，目前在Moderna 没有任何职位。 2006年，卡里科和韦斯曼还创立了一家公司RNARx，卡里科担任首席执行官。此后，RNARx 已获得90 万美元的政府资助。然而，2010年，宾夕法尼亚大学将卡里科和韦斯曼的专利卖给了实验室供应商Cellscript的老板加里·达尔(Gary Dahl)。尚未进入临床试验的RNARx项目就夭折了。此后，Moderna投资公司之一的Flagship Pioneering找到了Carrico，但遗憾的是当时该专利已经被出售。由于没有专利授权，Moderna 不得不修改核酸本身并复制Carrico 的结果。 2014年，Moderna获得了自己的专利。同时，Gary Dahl还将Carrico和Weismann的核心专利转让给了Moderna和BioNTech。 2013年，宾夕法尼亚大学没有与卡里科续约，因此她加入BioNTech担任副校长。当时，BioNTech还是一家小公司，甚至没有自己的网站。加入公司后，Carrico 继续研究改进mRNA 技术。比如保护mRNA分子，使其能够保存更长时间，因为mRNA非常不稳定，通常需要超低温才能保存。 2015年，卡里科发现，用脂质纳米颗粒涂覆它们可以防止它们降解太快，并促进它们进入细胞。从那时起，mRNA才真正开始在人体上进行测试。目前有7-8个mRNA疫苗试验项目正在进行中，但尚未成功批准上市。人们并不相信这项技术能够发挥出巨大的价值。图3 mRNA疫苗|资料来源：Nik Spencer/Nature；改编自U. ahin 等人。 Nature Rev. 药物发现。 13, 759780 (2014) 和X. Hou 等人。自然牧师马特。 https://doi.org/gmjsn5（2021）。没想到，COVID-19疫情加速了mRNA疫苗的临床进展。它已逐渐被证明是一种高效的疫苗工具，成为遏制COVID-19疫情的重要工具。罗西此前在接受媒体采访时表示，卡里科和韦斯曼应该获得诺贝尔奖。 “如果有一天有人让我推荐诺贝尔奖候选人，我会推荐他们，因为这是一个结合基础科学研究的团体。这些故事进入了诊所并拯救了世界。” Moderna 联合创始人Chien 也表示：“包括Moderna 在内的所有mRNA 公司的工作都归功于Carrico 和Weissman 的原创工作。如果没有他们的发现，RNA 疫苗就不会像现在这样先进。 “保护mRNA并将其输送到细胞中加上诺贝尔奖，mRNA技术在过去的几年里赢得了该领域几乎所有的重要奖项，但与几乎所有获奖领域一样，科学突破绝不只是一个人或一个人的工作。 2021年9月，《自然》（）发表了一篇长文《》，回顾了mRNA技术的发展历程，从mRNA的发现，到mRNA的人工合成，再到如何修饰mRNA来降低免疫反应。作者Elie Dolgin采访了大量科学家，向我们展示了在mRNA疫苗领域，除了呼声很高的Carrico和Weisman之外，还有一个重要的技术， —— 脂质纳米颗粒(LNP)，是一种微小的脂滴，可以保护mRNA 并将其输送到细胞中。该技术来自不列颠哥伦比亚大学生物化学家Pieter Cullis 及其创立或管理的多家公司。在加拿大。

当他在牛津大学做博士后时，他从物理学转到了生物化学。在与同事的合作中，他接触到了生物膜中脂质的结构特性。从此，他被脂质多态性深深吸引。开始了50年的研究。自20 世纪90 年代末以来，他的实验室和公司率先使用LNP 来传递可以灭活基因的核酸链。图4 彼得·卡利斯(Pieter Cullis) |资料来源：UBC 的Paul Joseph 2012 年，Cullis 的两家公司开始转型，探索LNP 递送系统在mRNA 药物中的应用前景。例如，温哥华的Acuitas Therapeutics公司正在与宾夕法尼亚大学Weisman团队以及多家mRNA公司合作，共同测试不同比例的mRNA-LNP。其中一种组合已用于BioNTech 和CureVac 的COVID-19 疫苗中。 Moderna 的LNP 复合体类似。纳米粒子含有四种脂质分子：三种决定结构和稳定性；三种决定结构和稳定性。第四种称为可电离脂质，是LNP 有效性的关键。该物质在实验条件下带正电荷，与Felgner 开发并由Malone 在20 世纪80 年代末测试的脂质体具有类似的优点。但库利斯和商业伙伴开发的可电离脂质在生理条件下（例如在血液中）可以变成中性，这可以减少对人类的毒性。无论是修饰的mRNA还是LNP，没有一家公司能在2020年之前完成全部临床试验。面对突如其来的COVID-19疫情，Moderna和BioNTech行动起来。其中，Moderna与美国国家过敏和传染病研究所（NIAID）合作进行小鼠研究和人体试验，耗时不到10周。 2020年3月，BioNTech与纽约制药公司辉瑞合作，在不到8个月的破纪录时间内完成了从首次人体试验到紧急使用批准的过程。虽然mRNA 发展史上的一些人认为他们应该得到更多的认可，包括马龙，但其他人更愿意分享这一荣誉。回顾过去，不少与会者表示很高兴mRNA疫苗能为人类带来改变，也很幸运能够做出宝贵的贡献。 “每个人都在做出贡献，包括我，”卡里科告诉《自然》。《参考链接》 [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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来源：知识分子编辑：阿博