RNA thông tin biến đổi nucleoside

RNA thông tin biến đổi nucleoside (nucleoside-modified messenger RNA, modRNA) là RNA thông tin tổng hợp (mRNA), trong đó một số nucleoside được thay thế bằng các nucleoside tự nhiên khác hoặc bằng các chất tương tự nucleoside nhân tạo.^[1] modRNA được sử dụng để sinh tổng hợp protein mong muốn trong các tế bào nhất định. Ứng dụng quan trọng của modRNA là phát triển vắc-xin mRNA, mà vắc-xin đầu tiên được chấp thuận chính là vắc-xin COVID-19 (chẳng hạn như BNT162b2 của Pfizer–BioNTech và mRNA-1273 của Moderna).

Giới thiệu

Ribosome (màu xanh lá cây) tổng hợp một protein (trong hình là chuỗi hạt tròn đại diện cho các amino acid) được mã hóa trong mRNA (chuỗi nucleotide). mRNA này đã biến đổi để giảm phản ứng viêm trong tế bào.

mRNA là acid ribonucleic (RNA) cấu tạo từ các đơn phân là nucleotide, là sản phẩm của quá trình phiên mã acid deoxyribonucleic (DNA).^[2] Khi tổng hợp, RNA polymerase có thể sẽ gặp phải các nucleoside "không đúng chuẩn" như pseudouridine (các nucleoside chuẩn gồm adenosine, cytidine, guanosine và uridine), và mRNA tạo thành chính là mRNA nucleoside đã được biến đổi.^[3]

Dịch mã là quá trình sinh tổng hợp protein. Ban đầu ribosome trên mRNA sẽ lắp ráp lại, sau đó mRNA đóng vai trò là bản thiết kế để tổng hợp protein nhờ trình tự amino acid dựa trên mã di truyền trên mRNA.^[4]

Tổng quan

Để tế bào tạo ra các protein mà thông thường chúng không thể tổng hợp, có thể đưa mRNA vào tế bào chất của tế bào, bỏ qua quá trình phiên mã. Nói cách khác, có thể "lấy cắp" bản thiết kế protein bình thường và cho "nhập lậu" bản thiết kế protein lạ vào trong tế bào. Tuy nhiên để đạt được mục tiêu này thì phải "lách luật" chính là các hệ thống tế bào ngăn cản sự xâm nhập và dịch mã của mRNA ngoại lai. Có những enzym hay gặp, chẳng hạn như ribonuclease (hay RNAse), có thể phá vỡ mRNA.^[5] Ngoài ra còn có các hàng rào nội bào chống lại mRNA ngoại lai, ví dụ như các receptor tương tự receptor (toll-like receptor) TLR7 và TLR8 thuộc hệ miễn dịch tự nhiên, nằm trong màng túi nhập bào (endosome). Các cảm biến RNA như TLR7 và TLR8 làm giảm đáng kể sự tổng hợp protein trong tế bào, kích hoạt giải phóng các cytokine như interferon và yếu tố hoại tử khối u alpha (TNF-alpha), và khi cường độ đủ mạnh sẽ dẫn đến chết tế bào theo chương trình.^[6]

Có thể "giấu kín" bản chất gây viêm của RNA ngoại sinh bằng cách sửa đổi các nucleoside trong mRNA.^[7] Ví dụ, uridine có thể được thay thế nhờ một nucleoside tương tự như pseudouridine (Ψ) hoặc N1-methyl-pseudouridine (m1Ψ), và cytosine có thể được thay thế bằng 5-methylcytosine.^[8] Chú ý rằng pseudouridine và 5-methylcytosine cũng tồn tại một cách tự nhiên ở sinh vật nhân thực.^[9] Các nucleoside biến đổi này dẫn đến thay đổi cấu trúc bậc hai của mRNA, làm giảm sự nhận diện của hệ miễn dịch tự nhiên trong khi vẫn cho phép dịch mã hiệu quả.^[10]

Ý nghĩa của các vùng không được dịch mã

Một mRNA bình thường có vùng bắt đầu và vùng kết thúc chứa các đoạn không dịch mã trong quá trình tạo thành các amino acid nhằm sinh tổng hợp protein. Các trình tự này nằm ở đầu 5′ và 3′ của sợi mRNA được gọi là vùng không được dịch mã (UTR). Hai vùng không được dịch mã ở đầu và cuối sợi là rất cần thiết cho sự ổn định của mRNA và của modRNA cũng như tạo tính hiệu quả của quá trình dịch mã, tức là tạo ra đương lượng protein cần thiết cho tế bào. Bằng cách chọn các vùng không được dịch mã thích hợp trong quá trình tổng hợp modRNA giúp tối ưu hóa sự sản xuất protein theo mục tiêu trong điều trị tế bào đích.^[5][11]

Vận chuyển modRNA vào tế bào đích

So sánh sự hấp thụ RNA và modRNA của tế bào

Việc đưa modRNA vào các tế bào đích còn gặp nhiều khó khăn. Đầu tiên, modRNA phải được bảo vệ, tránh bị ribonuclease phân hủy^[5] bằng cách "đóng gói" nó trong liposome. Việc "đóng gói" như vậy cũng có thể giúp modRNA dễ dàng được hấp thụ vào các tế bào đích. Quá trình này rất hữu ích khi được sử dụng trong vắc-xin, vì các hạt nano được tế bào tua và đại thực bào hấp thụ, cả hai loại tế bào đều đóng vai trò quan trọng trong việc kích hoạt hệ miễn dịch.^[12]

Hơn nữa, modRNA có thể được đưa vào các tế bào cơ thể cụ thể. Ví dụ khi kích thích để tế bào cơ tim nhân lên khi mô cơ tim bị tổn thương. Trong trường hợp này, modRNA được "đóng gói" sẽ tiêm trực tiếp vào động mạch, chẳng hạn như động mạch vành.^[13]

Các ứng dụng

Một lĩnh vực ứng dụng quan trọng là sản xuất vắc-xin mRNA, trong đó vắc-xin đầu tiên được phép sử dụng ở người là vắc-xin COVID-19 để chống lại bệnh SARS-CoV-2.^{[14][15][16][17][18][19]} Một số vắc-xin COVID-19 gồm:^[20] BNT162b2 (được phát triển bởi sự hợp tác của BioNTech/Pfizer/Fosun International), CVnCoV (CureVac),^[21][22] và mRNA-1273 (Moderna).^[23] Vắc-xin của BioNTech và Moderna sử dụng modRNA,^[24] nhưng vắc-xin CureVac sử dụng RNA không biến đổi.

modRNA là công nghệ tiềm năng nhằm tái tạo mô cơ tim bị tổn thương ^[25][26] và điều trị ung thư.^[27][28]

Tham khảo

1. Chien KR, Zangi L, Lui KO (tháng 10 năm 2014). “Synthetic chemically modified mRNA (modRNA): toward a new technology platform for cardiovascular biology and medicine”. Cold Spring Harbor Perspectives in Medicine. 5 (1): a014035. doi:10.1101/cshperspect.a014035. PMC 4292072.
2. Alberts B, Johnson A, Lewis J, Raff M, Roberts K, Walter P (2002). From DNA to RNA (bằng tiếng Anh) (ấn bản thứ 4). Garland Science.
3. Pardi N, Weissman D (2017). “Nucleoside Modified mRNA Vaccines for Infectious Diseases”. RNA Vaccines. Methods in Molecular Biology. 1499. Clifton, N.J. tr. 109–121. doi:10.1007/978-1-4939-6481-9_6. ISBN 978-1-4939-6479-6.
4. Lodish H, Berk A, Zipursky SL, Matsudaira P, Baltimore D, Darnell J (2000). The Three Roles of RNA in Protein Synthesis (bằng tiếng Anh) (ấn bản thứ 4). New York: W. H. Freeman. tr. Sec 4.4.
5. ^ Schlake T, Thess A, Fotin-Mleczek M, Kallen KJ (tháng 11 năm 2012). “Developing mRNA-vaccine technologies”. RNA Biology. 9 (11): 1319–30. doi:10.4161/rna.22269. PMC 3597572. PMID 23064118.
6. Dalpke A, Helm M (tháng 6 năm 2012). “RNA mediated Toll-like receptor stimulation in health and disease”. RNA Biology. 9 (6): 828–42. doi:10.4161/rna.20206. PMC 3495747. PMID 22617878.
7. Karikó, K; Buckstein, M; Ni, H; Weissman, D (tháng 8 năm 2005). “Suppression of RNA recognition by Toll-like receptors: the impact of nucleoside modification and the evolutionary origin of RNA”. Immunity. 23 (2): 165–75. doi:10.1016/j.immuni.2005.06.008. PMID 16111635.
8. Svitkin YV, Cheng YM, Chakraborty T, Presnyak V, John M, Sonenberg N (tháng 6 năm 2017). “N1-methyl-pseudouridine in mRNA enhances translation through eIF2α-dependent and independent mechanisms by increasing ribosome density”. Nucleic Acids Research. 45 (10): 6023–6036. doi:10.1093/nar/gkx135. PMC 5449617. PMID 28334758.
9. Hoernes TP, Clementi N, Faserl K, Glasner H, Breuker K, Lindner H, và đồng nghiệp (tháng 1 năm 2016). “Nucleotide modifications within bacterial messenger RNAs regulate their translation and are able to rewire the genetic code”. Nucleic Acids Research. 44 (2): 852–62. doi:10.1093/nar/gkv1182. PMC 4737146. PMID 26578598.
10. Svitkin YV, Cheng YM, Chakraborty T, Presnyak V, John M, Sonenberg N (tháng 6 năm 2017). “N1-methyl-pseudouridine in mRNA enhances translation through eIF2α-dependent and independent mechanisms by increasing ribosome density”. Nucleic Acids Research. 45 (10): 6023–6036. doi:10.1093/nar/gkx135. PMC 5449617. PMID 28334758.
11. Orlandini von Niessen AG, Poleganov MA, Rechner C, Plaschke A, Kranz LM, Fesser S, và đồng nghiệp (tháng 4 năm 2019). “Improving mRNA-Based Therapeutic Gene Delivery by Expression-Augmenting 3' UTRs Identified by Cellular Library Screening”. Molecular Therapy. 27 (4): 824–836. doi:10.1016/j.ymthe.2018.12.011. PMC 6453560.
12. Zhao L, Seth A, Wibowo N, Zhao CX, Mitter N, Yu C, Middelberg AP (tháng 1 năm 2014). “Nanoparticle vaccines”. Vaccine. 32 (3): 327–37. doi:10.1016/j.vaccine.2013.11.069.
13. Carlsson L, Clarke JC, Yen C, Gregoire F, Albery T, Billger M, và đồng nghiệp (tháng 6 năm 2018). “VEGF-A mRNA Improves Cardiac Function after Intracardiac Injection 1 Week Post-myocardial Infarction in Swine”. Molecular Therapy. Methods & Clinical Development. 9: 330–346. doi:10.1016/j.omtm.2018.04.003. PMC 6054703. PMID 30038937.
14. Polack FP, Thomas SJ, Kitchin N, Absalon J, Gurtman A, Lockhart S, và đồng nghiệp (tháng 12 năm 2020). “Safety and Efficacy of the BNT162b2 mRNA Covid-19 Vaccine”. The New England Journal of Medicine. doi:10.1056/NEJMoa2034577. PMC 7745181.
15. “Hoffnungsträger BNT162b2: Wie funktionieren mRNA-Impfstoffe?” (bằng tiếng Đức). 10 tháng 11 năm 2020. Truy cập ngày 28 tháng 11 năm 2020.
16. Abbasi J (tháng 9 năm 2020). “COVID-19 and mRNA Vaccines-First Large Test for a New Approach”. JAMA. 324 (12): 1125–1127. doi:10.1001/jama.2020.16866.
17. Vogel A, Kanevsky I, Che Y, Swanson K, Muik A, Vormehr M, và đồng nghiệp (ngày 8 tháng 9 năm 2020). “A prefusion SARS-CoV-2 spike RNA vaccine is highly immunogenic and prevents lung infection in non-human primates”. bioRxiv. doi:10.1101/2020.09.08.280818.
18. “Conditions of Authorisation for Pfizer/BioNTech COVID-19 Vaccine” (Decision). Medicines & Healthcare Products Regulatory Agency. ngày 8 tháng 12 năm 2020.
19. Office of the Commissioner (ngày 14 tháng 12 năm 2020). “Pfizer-BioNTech COVID-19 Vaccine”. www.fda.gov (Decision) (bằng tiếng Anh). US FDA.
20. Krammer F (tháng 10 năm 2020). “SARS-CoV-2 vaccines in development”. Nature. 586 (7830): 516–527. doi:10.1038/s41586-020-2798-3.
21. “COVID-19: Über CureVacs Entwicklung eines mRNA-basierten Impfstoffs”. curevac.com (bằng tiếng Đức). CureVac. 28 tháng 11 năm 2020. Truy cập ngày 28 tháng 11 năm 2020.
22. “COVID-19 – CureVac”. www.curevac.com. Truy cập ngày 21 tháng 12 năm 2020.
23. “Moderna's Pipeline”. modernatx.com (bằng tiếng Anh). Moderna. Truy cập ngày 28 tháng 11 năm 2020.
24. Dolgin, Elie (ngày 25 tháng 11 năm 2020). “COVID-19 vaccines poised for launch, but impact on pandemic unclear”. Nature Biotechnology (bằng tiếng Anh): d41587–020–00022-y. doi:10.1038/d41587-020-00022-y. ISSN 1087-0156.
25. Kaur K, Zangi L (tháng 12 năm 2020). “Modified mRNA as a Therapeutic Tool for the Heart”. Cardiovascular Drugs and Therapy. 34 (6): 871–880. doi:10.1007/s10557-020-07051-4. PMC 7441140. PMID 32822006.
26. Zangi L, Lui KO, von Gise A, Ma Q, Ebina W, Ptaszek LM, và đồng nghiệp (tháng 10 năm 2013). “Modified mRNA directs the fate of heart progenitor cells and induces vascular regeneration after myocardial infarction”. Nature Biotechnology. 31 (10): 898–907. doi:10.1038/nbt.2682. PMC 4058317. PMID 24013197.
27. McNamara, Megan A.; Nair, Smita K.; Holl, Eda K. (2015). “RNA-Based Vaccines in Cancer Immunotherapy”. Journal of Immunology Research (bằng tiếng Anh). 2015: 794528. doi:10.1155/2015/794528. ISSN 2314-8861. PMC 4668311. PMID 26665011.
28. Verbeke, R; Lentacker, I; Wayteck, L; Breckpot, K; Van Bockstal, M; Descamps, B; Vanhove, C; De Smedt, SC; Dewitte, H (ngày 28 tháng 11 năm 2017). “Co-delivery of nucleoside-modified mRNA and TLR agonists for cancer immunotherapy: Restoring the immunogenicity of immunosilent mRNA”. Journal of Controlled Release: Official Journal of the Controlled Release Society. 266: 287–300. doi:10.1016/j.jconrel.2017.09.041. PMID 28987878.

Đọc thêm

• Badieyan, ZS; Evans, T (tháng 8 năm 2019). “Concise Review: Application of Chemically Modified mRNA in Cell Fate Conversion and Tissue Engineering”. Stem Cells Translational Medicine. 8 (8): 833–843. doi:10.1002/sctm.18-0259. PMC 6646692. PMID 30891922. Bản gốc lưu trữ ngày 8 tháng 3 năm 2022. Truy cập ngày 28 tháng 12 năm 2020.
• Espeseth AS, Cejas PJ, Citron MP, Wang D, DiStefano DJ, và đồng nghiệp (2020). “Modified mRNA/lipid nanoparticle-based vaccines expressing respiratory syncytial virus F protein variants are immunogenic and protective in rodent models of RSV infection”. NPJ Vaccines. 5: 16. doi:10.1038/s41541-020-0163-z. PMC 7021756. PMID 32128257.