Почему иммунитет атаковал мРНК — и что изменили Карико и Вайсман

В начале 2000-х иммунитет атаковал мРНК не буквально: лабораторно синтезированная РНК слишком легко включала врождённую иммунную защиту. Для идеи использовать мРНК как лекарство это было серьёзной проблемой. Вместо того чтобы просто передать клетке инструкцию для производства нужного белка, такая молекула могла восприниматься как сигнал опасности и запускать воспалительную реакцию.

Именно эту проблему помогли понять Каталин Карико и Дрю Вайсман. Их работа стала одним из фундаментальных шагов, без которых современные мРНК-вакцины вряд ли появились бы в том виде, в каком мы их знаем.

Почему мРНК вообще понадобилось «прятать» от иммунитета

Матричная РНК, или мРНК, — временная инструкция. В обычной клетке информация хранится в ДНК, а мРНК переносит копию нужного фрагмента этой информации к клеточным «фабрикам» белка — рибосомам.

Для медицины идея выглядит очень привлекательно. Вместо введения готового белка или изменения ДНК можно доставить клетке временную инструкцию. Клетка сама произведёт нужный белок, а через некоторое время мРНК разрушится.

Но у этой элегантной схемы есть биологическая проблема. Клетки миллионы лет эволюционировали в мире вирусов и бактерий, поэтому они умеют распознавать некоторые формы чужой РНК. Для иммунной системы появление необычной РНК внутри или рядом с клеткой может означать инфекцию.

Одними из таких датчиков служат толл-подобные рецепторы — белки врождённой иммунной системы, способные распознавать характерные молекулярные признаки потенциальной угрозы. Их задача не в том, чтобы точно определить конкретный вирус, а в том, чтобы как можно раньше заметить что-то подозрительное и поднять тревогу.

Лабораторно синтезированная мРНК могла попадать именно под такую сигнализацию.

Важной оказалась не только последовательность РНК, но и её химия

В 2005 году Каталин Карико, Майкл Бакстайн, Хоупин Ни и Дрю Вайсман опубликовали в журнале Immunity работу, в которой задали принципиальный вопрос: реагирует ли врождённая иммунная система просто на сам факт присутствия РНК — или имеет значение её химическое устройство?

РНК часто изображают как цепочку из четырёх букв. Но в живых клетках всё сложнее. После синтеза отдельные строительные блоки РНК могут подвергаться химическим модификациям. Последовательность генетического сообщения при этом может сохраняться, а химические свойства молекулы меняются.

Авторы изготовили разные варианты РНК и включили в них модифицированные нуклеозиды — химически изменённые версии обычных строительных блоков РНК. Среди них был псевдоуридин, природная модификация уридина.

Затем исследователи проверяли, как на такую РНК реагируют рецепторы врождённого иммунитета и дендритные клетки — клетки, которые одними из первых распознают признаки инфекции и помогают запускать иммунный ответ.

Разница оказалась существенной.

Немодифицированная РНК могла активировать человеческие рецепторы TLR3, TLR7 и TLR8. Но включение определённых модифицированных нуклеозидов резко уменьшало или полностью устраняло такую активацию. Дендритные клетки в ответ на модифицированную РНК также производили меньше воспалительных сигнальных молекул и слабее переходили в активированное состояние.

Особенно важными оказались модификации уридина, включая псевдоуридин.

Иными словами, иммунная система реагировала не только на информацию, записанную в РНК. Она была чувствительна и к химической форме её строительных блоков.

Почему это оказалось так важно для мРНК-технологии

Для будущей лекарственной мРНК это меняло ситуацию принципиально.

Если клетка воспринимает введённую РНК как угрозу, запускается врождённый иммунный ответ. Это может приводить к воспалению и одновременно мешать главной задаче мРНК — служить матрицей для производства белка.

Химическая модификация позволяла частично отделить эти две вещи: сохранить генетическую инструкцию, но изменить то, как молекулу видят некоторые датчики врождённого иммунитета.

Последующие работы Карико, Вайсмана и других исследователей развили эту идею дальше. В 2008 году было показано, что мРНК с псевдоуридином не только слабее активирует иммунную систему, но и может обеспечивать более эффективное производство белка. Позднее появились ещё более подходящие модификации.

В современных мРНК-вакцинах против COVID-19 компаний Pfizer/BioNTech и Moderna использовался N1-метилпсевдоуридин — родственник псевдоуридина. Поэтому популярную формулировку «в мРНК заменили одну букву» стоит понимать осторожно. Речь идёт не об изменении генетического текста вакцины в одной позиции, а о химической замене одного типа строительного блока во множестве мест молекулы.

При этом модифицированные нуклеозиды были лишь одной частью технологии.

Чтобы мРНК-вакцины стали реальностью, понадобились способы защитить и доставить хрупкую РНК внутрь клеток, прежде всего липидные наночастицы. Потребовались оптимизация последовательностей, очистка РНК от побочных продуктов синтеза, разработка антигенов, масштабное производство и клинические испытания.

Поэтому неверно говорить, что Карико и Вайсман единолично «изобрели мРНК-вакцину». Их вклад был более конкретным и одновременно фундаментальным: они помогли показать, что химические модификации нуклеозидов позволяют мРНК значительно меньше провоцировать нежелательное врождённое иммунное распознавание.

Работа 2005 года также не была испытанием вакцины на людях. Это были прежде всего клеточные эксперименты, изучавшие фундаментальный механизм распознавания РНК. Кроме того, толл-подобные рецепторы — лишь часть сложной системы, которой клетки обнаруживают чужую РНК. Позднее пришлось решать и другие проблемы, включая распознавание побочных двухцепочечных форм РНК, возникающих при её лабораторном производстве.

7 сентября 1959 года родился Дрю Вайсман. В 2023 году он и Каталин Карико получили Нобелевскую премию по физиологии или медицине за открытия, связанные с модификациями нуклеозидных оснований, которые сделали возможной разработку эффективных мРНК-вакцин против COVID-19.

Но значение этой истории уже выходит далеко за пределы одной пандемии. Сегодня мРНК исследуют как платформу для противоопухолевых вакцин, временного производства терапевтических белков и других видов лечения. Всё это опирается на тот же фундаментальный принцип: чтобы использовать РНК как лекарство, недостаточно знать, какую информацию она несёт. Нужно понимать, как сама её химия выглядит для клетки.