mRNA to przepis na białko. Organizm człowieka według tego przepisu może wytworzyć białko, które pomaga w leczeniu choroby. Przepis bardzo dobry, jednak mRNA ma słabe punkty – żyje dość krótko, musi być chronione przed zniszczeniem przez enzymy, wytwarza określoną ilość białka. Ważnym krokiem w procesie udoskonalania terapeutycznego mRNA jest cyrkularyzacja, czyli zamknięcie klasycznego liniowego mRNA w kółku. Najbardziej obiecujące wydawały się chemiczne metody wytworzenia takich cząstek. I to właśnie się stało.
Zespół, w skład którego wchodzą m. in. dr Małgorzata Wąsińska-Kałwa z Centrum Nowych Technologii (CeNT), dr Adam Mamot z Instytutu Biochemii Maxa Plancka /Centrum Nowych Technologii (CeNT), dr hab. Joanna Kowalska z Instytutu Fizyki Doświadczalnej i prof. dr hab. Jacek Jemielity także z CeNT – wszyscy z UW*, wykorzystując metody chemiczne stworzył cyrkularne mRNA. Wyniki pracy (ogrom badań) 12 lipca zostały opublikowane w czasopiśmie Nature Communications.
Skąd ten kształt i dlaczego chemia ma znaczenie?
Końce nici kwasu nukleinowego RNA – 5’ i 3’ (pięć prim i trzy prim) – to jej najsłabsze ogniwa. Naukowcy założyli, że cyrkularne RNA, zamknięte w kółko, a więc pozbawione końców, będzie w organizmie dłużej ulegało ekspresji, czyli – upraszczając – pozwoli na znacznie dłuższą produkcję białka (na którym nam zależy). Jest jedno ale. Do klasycznej translacji, czyli rozszyfrowania informacji zawartej w mRNA i produkcji na jej bazie białka, niezbędny jest kap, czyli czapeczka. Ta struktura znajduje się na końcu (5’) podłużnego RNA, a kółko końców nie ma… Co zrobili badacze? Utworzyli kółko i do chemicznego kolistego RNA zamontowali kap. To działanie jest możliwe tylko z pomocą chemii (cyrkularne RNA tworzone metodami biologicznymi – są też takie badania – struktury kapu nie ma).
– RNA jest przepisem na białko. Jego wadą w kontekście terapeutycznym jest to, iż jest krótkotrwałe, więc ta technologia, póki co, pozwala na wytworzenie szczepionek, gdzie taka ekspresja białka jest wystarczająca. Natomiast RNA ma potencjał, żeby dostarczać białka, które w naszych organizmach powstają w sposób zdefektowany albo w ogóle nie powstają, co jest przyczyną różnych chorób genetycznych, metabolicznych – w leczeniu tych chorób przy użyciu mRNA produkcja białka musi trwać bardzo długo, docelowo przez całe życie pacjenta. Do tego typu zastosowań niezwykle ważne jest wydłużenie czasu życia RNA, aby służyło ono dłużej jako matryca do produkcji białek – prof. Jacek Jemielity tłumaczy cel przedsięwzięcia.
Jest jeszcze jedna „pułapka”. Gdy konstruowane jest terapeutyczne RNA, trzeba mRNA – wprowadzane z zewnątrz do organizmu – zmodyfikować tak, aby ten nie rozpoznawał go jako czegoś obcego (za odpowiedź na pytanie jak to zrobić Katalin Kariko i Drew Weissman dostali Nagrodę Nobla). I to w kulistym mRNA badaczom udało się zrobić.
Co zaskoczyło naukowców?
– Było dla nas wielkim zaskoczeniem, że w ogóle możliwe są manipulacje na RNA pełnej długości, bo jest to cząsteczka niezwykle podatna na degradację. Po drugie, biorąc pod uwagę, jak olbrzymia jest to cząsteczka – próbowaliśmy zamykać nawet mRNA kodujące szczepionkę COVID-ową, to są niemal 4000 nukleotydów – byliśmy zaskoczeni, jak efektywna jest to metoda. Wydawało nam się, że na tak olbrzymiej cząsteczce spotkanie tych dwóch końców jest mało prawdopodobne, a jednak one się spotykają i są w stanie przereagować ze sobą z wydajnością, która jak na tak olbrzymie obiekty, jest bardzo wysoka – mówi naukowiec.
Cząsteczka RNA zadania nie ułatwia – jest olbrzymia i skomplikowana, zwija się w supeł, który czasem trudno rozplątać.
– Trudnych elementów było wiele. Najważniejsze dwie rzeczy, które wykazaliśmy to, że da się przeprowadzić reakcję na pełnej długości RNA i że zamknięcie w kółko jest tak wydajne. A prócz tego, że cyrkularne RNA z przyłączoną strukturą kapu działa, jeśli chodzi o translację, czyli produkuje białko. I udało nam się zaobserwować wydłużony czas funkcjonowania RNA, bo translacja zachodziła znacznie dłużej – komentuje badacz.
Osiągnięcia bezprecedensowe
Pierwsze badania biologiczne są bardzo obiecujące. Translacja, czyli przetłumaczenie informacji z przepisu genetycznego na białko, znakomicie działa dla circRNA w żywych komórkach oraz potwierdziło się również w organizmie myszy. W przypadku niektórych sekwencji mRNA ilość wyprodukowanego białka dla RNA, które „zamknięto w kółko” w porównaniu do prekursorowego mRNA liniowego była nawet do 370 razy większa.
Prof. Jacek Jemielity ostrożnie, rzadko używa słowa „przełomowe”. Jednak w tym przypadku określenie jest uzasadnione.
– Według naszej najlepszej wiedzy, pierwszy raz udało się dokonać chemicznego zamknięcia RNA w kółko – mówi prof. Jemielity. I dodaje: – W nauce zawsze powinno robić się coś, czego inni jeszcze nie zrobili. Natomiast to jest rzecz duża i zrobiliśmy to jako pierwsi na świecie. Jesteśmy z tego bardzo dumni.
Praca opisuje kilka bezprecedensowych osiągnięć w cyrkularyzacji RNA, to chemiczna cyrkularyzacja mRNA kodującego białko pełnej długości; chemiczna cyrkularyzacja in vitro RNA; rozwój kolistych RNA, które ulegają translacji zależnej od kapu oraz cyrkularyzacja modyfikowanego RNA – podsumowują badacze w Nature.
Przed naukowcami jeszcze dużo badań i kolejne wyzwania: jak podnieść wydajność, jeśli chodzi o cyrkularyzację, oddzielanie cyrkularnego od liniowego RNA. Aby w pełni wykorzystać potencjał nowatorskiego rozwiązania, potrzebne są dalsze badania nad optymalizacją sekwencji i innymi aspektami projektowania chem-circRNA. Niemniej, praca otwiera niezbadane dotąd możliwości dla kapowanego kolistego RNA i potencjalnie nowej generacji terapii RNA. Wynalazcy myślą – na przykład – o zastosowaniu technologii w leczeniu genetycznych chorób rzadkich.
———————————————-
Artykuł „Chemical circularization of in vitro transcribed RNA for exploring circular mRNA design” znajduje się tutaj.
*Autorami pracy są: Małgorzata Wąsińska-Kałwa (Centrum Nowych Technologii (CeNT) Uniwersytetu Warszawskiego), Adam Mamot (Instytut Biochemii Maxa Plancka/CeNT UW), Karol Czubak (Uniwersytet Medyczny w Warszawie), Katarzyna Frankowska (CeNT UW), Adam Ado Rajkiewicz (CeNT UW), Tomasz Śpiewa (CeNT UW), Marcin Warmiński (Wydział Fizyki UW), Zofia Pilch (Uniwersytet Medyczny w Warszawie), Marta Szulc-Gąsiorowska (CeNT UW), Kacper Siekan (Międzynarodowy Instytut Biologii Molekularnej i Komórkowej), Andrzej Dziembowski (Międzynarodowy Instytut Biologii Molekularnej i Komórkowej), Dominika Nowis (Uniwersytet Medyczny w Warszawie), Jakub Gołąb (Uniwersytet Medyczny w Warszawie), Joanna Kowalska (Instytut Fizyki Doświadczalnej UW), Jacek Jemielity (CeNT UW).
