Zespół naukowców z Uniwersytetu Warszawskiego kierowany przez prof. Jacka Jemielitego i dr hab. Joannę Kowalską we współpracy z badaczami z Warszawskiego Uniwersytetu Medycznego oraz spółki spin-off UW ExploRNA Therapeutics opracował nową modyfikację mRNA. Właściwości nowej cząsteczki mogą być przełomem dla współczesnej medycyny. Dzięki odkryciu uczonych możliwy będzie dalszy rozwój nowoczesnych terapii celowanych opartych na technologii mRNA, w tym leczenie chorób rzadkich czy projektowanie szczepionek przeciwnowotworowych.
Informacyjny kwas rybonukleinowy (mRNA) to matryca do produkcji białek w komórkach. Odgrywa kluczową rolę w ekspresji informacji genetycznej. Naukowcy z Uniwersytetu Warszawskiego razem z badaczami z innych ośrodków naukowych opracowali nową jego modyfikację . Wyniki badań zostały opublikowane w czasopiśmie „Journal of the American Chemical Society” (JACS).
– Dzięki tej technologii świat medycyny może myśleć o znacznie szerszych zastosowaniach mRNA. Nie mówimy już tylko o produkcji szczepionek antycovidowych, które wydają się najprostszym zastosowaniem technologii mRNA. Tak efektywnie ulegającą translacji cząsteczkę mRNA można wykorzystać do projektowania nowych terapii przeciwnowotworowych, zastosować w leczeniu chorób rzadkich i różnych chorób o podłożu genetycznym – mówi prof. Jacek Jemielity z Centrum Nowych Technologii UW, założyciel spółki spin-off UW ExploRNA Therapeutics, zaangażowany w odkrycie nowej modyfikacji mRNA.
Walory terapeutyczne
Badacze z UW poszukiwali takiej modyfikacji cząsteczki mRNA, która pozwoli uzyskiwać jak najwięcej terapeutycznego białka przy jak najniższej dawce terapeutycznego mRNA. W artykule opublikowanym na łamach JACS zaproponowali modyfikację końca 5’ mRNA w pozycji, która często ulega naturalnym modyfikacjom w warunkach komórkowych (metylacja w pozycji N6 adenozyny jako pierwszego nukleotydu na końcu 5’). Jak zaznaczają uczeni, jest to tzw. modyfikacja posttranskrypcyjna, która zachodzi w komórkach już po biosyntezie mRNA. Ta modyfikacja jest odwracalna, w komórkach istnieje enzym zdolny do jej usuwania (FTO). Choć funkcja tej naturalnej modyfikacji nie została dotychczas poznana, to badania wskazują, że jest to związane z większą produktywnością mRNA.
Eksperci zastąpili grupę metylową znacznie większą – benzylową. Okazało się, że doskonale imituje ona naturalną modyfikację pod względem własności mRNA, ale nie jest usuwalna przez enzym FTO. Dzięki temu syntetyczne mRNA jest niejako aktywowane pod względem produktywności, a enzym FTO nie jest w stanie tej aktywacji wyłączyć. W praktyce pożądane białko, na produkcję którego zapisana jest instrukcja w takiej cząsteczce mRNA, jest wytwarzane w znacznie większych ilościach.
– Wprowadzona przez nas zmiana polega na przyłączeniu benzylu w określonym punkcie jednego z końców mRNA, tzw. kapu. Benzyl jest dołączony w charakterystycznym miejscu, w którym naturalne enzymy modyfikują mRNA, dołączając do niego grupę metylową, po tym jak mRNA zostanie zsyntezowane. Te naturalne modyfikacje mRNA są odwracalne i mogą być usunięte. Zainspirowani biologią postanowiliśmy samodzielnie zmodyfikować mRNA w tej pozycji w sposób trwały, badając, jak to wpłynie na właściwości mRNA – wyjaśnia dr Marcin Warmiński z Wydziału Fizyki UW, pierwszy autor publikacji.
Badacze nadali modyfikacji nazwę AvantCap (wł. m6Am-cap–m7GpppBn6AmpG). W trakcie badań naukowcy dowiedli, że cząsteczka mRNA z AvantCap wykazuje w niektórych układach 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 stukrotnie). Naukowcy próbowali wyjaśnić mechanizm stojący za zwiększoną produkcją białka w komórce dzięki wprowadzonej modyfikacji, ale wyniki badań nie są jeszcze jednoznaczne.
– To bardzo ciekawe zjawisko, ale jeszcze nie do końca wyjaśnione. Wiemy, 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. Wydaje się, że nasza modyfikacja daje taki właśnie rezultat – cząsteczki uzyskują pierwszeństwo w kolejce do wytwarzania białek. Być może mRNA staje się oporne na działanie jakiegoś enzymu wygaszającego jego nadzwyczajną aktywność biologiczną, ale zweryfikowanie tego wymaga dalszych badań. Najważniejsze, że w rezultacie modyfikacji mamy cząsteczkę mRNA o bardzo ciekawych walorach terapeutycznych – dodaje dr hab. Joanna Kowalska z Wydziału Fizyki UW.
Skuteczność mRNA
Zaobserwowane właściwości zmodyfikowanego mRNA z AvantCap są silniejsze po ich podaniu organizmom żywym (myszom) niż w liniach komórkowych hodowanych in vitro. Jest to informacja istotna dla środowiska farmaceutycznego. Badacze z UW udowodnili również, że mRNA kodujące charakterystyczne białko dla nowotworów (tzw. antygen) podane myszom chorującym na nowotwór powodowało istotne hamowanie rozwoju guza. Potwierdzenie tego w organizmie ludzkim wymaga jednak przeprowadzenia niezwykle kosztownych i długotrwałych badań klinicznych.
Dokonane odkrycie to rezultat kilkuletniej współpracy środowiska akademickiego oraz spółki ExploRNA – uniwersyteckiego spin-offu założonego przez prof. Jacka Jemielitego i współpracowników.
Odkrycie zostało objęte ochroną patentową i licencją przez spółkę ExploRNA, która zajmuje się dalszym rozwojem technologii i jej wdrażaniem w praktyce.