W dzisiejszym wpisie skupimy się na szczegółowym opisie budowy szczepionek przeciwko COVID-19 opartych na technologii mRNA. Poznanie ich budowy i wszelkich modyfikacji zastosowanych w procesie projektowania pozwala zrozumieć jak niesamowitym i przemyślanym są produktem, oraz spojrzeć na nie jako wielkie osiągnięcie ludzkości.
Szczepionki Pfizera i Moderny przeciw koronawirusowi SARS-CoV-2 zawierają mRNA, czyli matrycowy RNA, który zawiera “instrukcję” syntezy białka kolca koronawirusa (tzw. białko S - Spike). Białko to jest jednym z kilku białek otoczki wirusa, którymi wirus łączy się z infekowanymi komórkami, dlatego idealnie nadaje się do wykorzystania jako antygen, przeciwko któremu organizm wytworzy przeciwciała.
Zawarta w szczepionce cząsteczka mRNA nie zawiera żadnych innych genów, np. replikaz RNA, nie ma więc zdolności do smopowielania, ani odwrotnej transkryptazy - nie może więc zostać przepisana na DNA i włączyć swojej sekwencji do genomu gospodarza.
Jest wręcz odwrotnie, cząsteczki mRNA są bardzo nietrwałe i zaraz po wykonaniu zadania, czyli translacji (przepisaniu informacji z matrycy na białko), ulegają degradacji, czyli “strawieniu” przez komórkę.
Żeby poprawić trwałość cząsteczki, a także wzmocnić efektywność syntezy białka Spike, twórcy szczepionki BioNTech/ Pfizer zastosowali kilka ciekawych zabiegów inżynierii genetycznej.
tRNA, czyli transportujący RNA, to kilkudziesięcio nukleotydowe cząsteczki, które w komórce mają za zadanie przyłączanie wolnych aminokwasów z cytoplazmy i ich transport do rybosomów, gdzie zostaną wbudowane w powstające białko. Wchodzący w ich skład zmodyfikowany nukleozyd - pseudourydyna, hamuje komórkę przed degradacją tych cząsteczek zanim zdążą spełnić swoje zadanie.
Twórcy szczepionki wykorzystali ten fakt. Wszystkie nukleozydy zawierające uracyl (czyli urydyny) w szczepionkowej cząsteczce mRNA zostały zastąpione pseudourydynami. W efekcie, nasz układ immunologiczny jest “oszukany” i pozwala szczepionkowemu mRNA przetrwać w cytoplazmie komórki na tyle długo, że gen białka S ulega translacji, a szczepionka skutecznie stymuluje odporność.
Szczepionkowa cząsteczka mRNA składa się z kilku regionów, podobnie jak inne mRNA powstające w jądrach komórek eukariotycznych. Każdy z regionów jest ważny i spełnia swoją rolę, ale tylko w jednym z nich zapisana jest informacja o budowie białka koronawirusa.
Początek cząsteczki stanowi tzw. “czapeczka”, jest to region - w naszych komórkach zbudowany z dwóch nukleotydów (G i A) - który informuje, że mRNA pochodzi z jądra naszej komórki. W przypadku mRNA szczepionkowego tak oczywiście nie jest, ale zastosowanie przez twórców takiej samej “czapeczki” sprawia, że komórka potraktuje je jak wytworzone w swoim jądrze. Co więcej region ten stabilizuje całą cząsteczkę i inicjuje translację zapisanego w dalszej części białka Spike.
Kolejnym regionem jest region UTR 5’. Regiony UTR są zawsze dwa, zaraz za czapeczką (5’) i przy końcu nici mRNA (3’). Translacja zawsze zachodzi w jednym kierunku zaczynając od końca 5’ (ale tego po zdaniu egzaminu z biologii molekularnej nie trzeba wam przecież przypominać :D).
Regiony UTR nie podlegają translacji (nic z nich nie powstaje) i pełnią wyłącznie funkcje regulatorowe. Region UTR 5’ (na początku nici) ułatwia przyłączanie mRNA do rybosomów, stabilizuje cząsteczkę, a także określa docelową liczbę translacji (ile razy proces odczytu zostanie powtórzony) oraz jej szybkość i wydajność.
W zrekombinowanym, szczepionkowym mRNA UTR 5’ jest zbudowany z 51 nukleotydów. Twórcy szczepionki wykorzystali zoptymalizowany UTR 5’ z mRNA kodującego w naszych komórkach białko alfa globulinę, wykorzystując fakt, że jest to białko które powstaje szybko i w dużej ilości. Kopiując ten fragment, zapewniamy, że tak samo potraktowane zostanie szczepionkowe mRNA - białka S powstanie dużo i to w krótkim czasie.
Następny fragment w cząsteczce mRNA to sekwencja sygnałowa, która ulega translacji, a jej produkt będzie częścią początkową białka S. Ta sekwencja informuje gdzie ma zostać wysłane białko po zakończeniu syntezy.
W przypadku szczepionki zależy nam, aby białko Spike znalazło się na powierzchni komórki, gdzie zostanie zaprezentowane komórkom odpornościowym. Taka właśnie informacja jest zapisana w tym fragmencie, zresztą jest ona tożsama z informacją oryginalnie zawartą w wirusie.
Białka są o tyle ciekawymi cząsteczkami, że choć składają się jedynie z kombinacji 20 aminokwasów, o ich właściwościach decyduje nie tylko struktura I-rzędowa, czyli kolejność aminokwasów w łańcuchu, ale także ich położenie względem siebie w przestrzeni i wiązania, które powstają między nimi.
Kolejność w jakiej aminokwasy zostaną wbudowane do łańcucha białka jest zapisana w nici RNA w postaci kodonów - trójek zasad. Kodonów takich mamy aż 64, a skoro aminokwasów jest tylko 20, oczywiste staje się to, że część aminokwasów kodowana jest przez więcej niż jedną trójkę zasad. Zwykle, trójki kodujące ten sam aminokwas, różnią się jedynie ostatnią zasadą.
Wiemy, że RNA zawierające większą ilość guaniny (G) i cytozyny (C) ulega sprawniejszej translacji, dlatego też twórcy szczepionki projektując mRNA białka Spike tak dobrali kodony, aby powstałe białko zawierało właściwą kolejność aminokwasów, ale w trójkach zasad je kodujących znalazło się możliwie najwięcej guaniny i cytozyny.
Następny region mRNA to właściwy region kodujący białko S. Zbudowany jest z 3777 zasad. Ten region również został zmodyfikowany przez zamianę zasad w trzecich pozycjach kodonów na G lub C aby usprawnić syntezę w sposób opisany powyżej.
Są jednak dwa wyjątki od tej reguły. Dwa kodony zostały zmienione w taki sposób, że zmieniają sens zapisu, w efekcie czego w miejsce dwóch innych aminokwasów wirusowego białka S, w szczepionkowym białku S będzie wbudowana prolina. Zabieg ten jest niezwykle ważny, ponieważ dzięki tej modyfikacji odtworzony został kształt białka kolca, dokładnie taki jaki przyjmuje ono, gdy jest wbudowane do otoczki wirusa.
Bez tego zabiegu nasze komórki zaprezentowały by układowi immunologicznemu białko S ale „zapadnięte” i być może tylko takie „zapadnięte” byłoby przez układ immunologiczny rozpoznawane w przyszłości. A przecież chodzi o to, żeby przeciwciała rozpoznawały białka wirusa o kształcie dokładnie takim jakie przybiera w otoczce wirusa.
Oddziaływanie proliny na strukturę białka kolca nie jest odkryciem nowym, zostało opisane podczas badań białek MERS i SARS-CoV-1. Właśnie ta wiedza, oparta na badaniach innych koronawirusów, przyczyniła się do tak szybkiego opracowania szczepionki.
mRNA zamyka drugi region regulatorowy UTR 3’, który został zaczerpnięty z mitochondrialnego 12S rRNA i ma wpływać na stabilność mRNA oraz „czuwać” nad wysoką ekspresją białka, choć mechanizm tego czuwania nie jest jeszcze dokładnie opisany.
Na samym końcu mRNA doczepiony jest „ogon”, czyli kilkanaście adenozyn (poli-A). Dołączenie ogona jest niezbędne, bez niego mRNA jest błyskawicznie rozpoznawane i degradowane. Każda translacja powoduje odłączanie części adenozyn. W ten sposób, po określonej liczbie cykli translacyjnych, mRNA pozostaje bez ogonka i na tym jego żywot się kończy.
Jak sami widzicie, sposób w jaki zaprojektowano szczepionkowe mRNA jest niezwykle fascynujący. Zastosowano wiele rozwiązań i wiedzy gromadzonej przez lata, co sprawia, że uzyskana szczepionka powstała nie tylko niezwykle szybko, ale jest również ogromnie skuteczna i bezpieczna.