【8.4.1】saRNA(自我复制RNA)简介

我复制RNA(self-replicating RNA, srRNA)

一、自我复制RNA

自我复制RNA更常见的名字是自扩增RNA(self-amplifying RNA,saRNA),它与普通的mRNA相比,重要的区别在于能够以自身的RNA序列为模板,进行自我复制。通常mRNA编码需要表达的蛋白,利用细胞中的核糖体完成转译和蛋白的生成。而saRNA除了表达目标蛋白以外,还携带着能够表达RNA聚合酶(称为RNA依赖性RNA聚合酶,RdRP)的序列。这种RNA聚合酶在生成之后,能够以saRNA为模板,产生更多的saRNA拷贝。

目前让RNA自我扩增的设计有两种:

  1. 一种将编码RNA聚合酶的序列和表达目标蛋白的序列装在同一个线性mRNA中,这是常见的saRNA。
  2. 另一方法是将编码RNA聚合酶的序列和编码目标蛋白的mRNA序列分成两部分,分别导入细胞中,这一策略称为反式扩增(trans-amplifying)

传统(A)、自扩增(B)、反式扩增(C)RNA的设计(图片来源:参考资料[2])

二、自扩增RNA的优势

无论是作为疫苗还是疗法,mRNA的作用方式是通过表达蛋白,起到激发免疫系统反应或者治疗的作用。因此,蛋白的表达水平与疗法的功效息息相关。传统mRNA的一个缺陷是它们的稳定性不高,在细胞内几天内就会被降解,导致蛋白的表达水平不能持久。如果作为长期治疗疾病的疗法,可能需要患者多次、大量注射mRNA,这可能增加mRNA疗法的毒副作用。

能够自我扩增的RNA的主要优势在于它可以用很低的剂量达到了传统mRNA相同的蛋白表达水平,已有研究显示,作为疫苗,saRNA在剂量比传统mRNA小几百倍甚至上千倍的情况下能够产生相同的免疫应答。由于saRNA可能延长抗原蛋白在体内存在的时间,这可能增强免疫反应,让基于saRNA的疫苗只需接种一针,就达到传统mRNA疫苗接种两针的效果。在生产方面,更低有效剂量可能降低saRNA的生产成本。作为疗法,这一特征可能减少mRNA疗法使用的剂量和注射次数,从而在延长疗效的同时,降低mRNA和递送载体可能产生的毒副作用。

saRNA的另一个特点是它本身可能具有激发免疫反应的潜力。人体细胞中存在着识别外来病毒入侵的传感器,它们称为模式识别受体(pattern recognition receptors)。它们识别的信号之一是在细胞质中出现的双链RNA,因为这可能代表着病毒RNA在细胞中进行复制。而saRNA在复制的过程中会形成双链RNA,它们与复制中的病毒RNA很像,因此可能激发细胞的先天免疫反应。这有可能进一步增强疫苗的作用。

三、自扩增RNA面对的挑战

然而,自我扩增的RNA在研发方面也面对着独特的挑战。由于saRNA将编码RNA聚合酶的序列与表达目标蛋白的序列连接在一起,导致整个mRNA分子的分子量比传统的mRNA要大很多,因此在递送方式上需要对递送载体进行特别的设计或者配方调整。分子量过大可能导致递送效率的下降。

反式扩增技术将编码RNA聚合酶的序列和表达目标蛋白的序列分开,也是提高RNA递送效率的一个策略。

此外,saRNA自我扩增时激发的免疫反应是一把“双刃剑”,作为疫苗,它可能达到促进免疫应答的作用,但是作为疗法,激发的免疫反应可能造成副作用。而且如果激发的先天免疫反应过强,可能导致mRNA的表达受到抑制,反而影响疗法和疫苗的疗效。因此,对saRNA的免疫原性需要精准的设计和调整。

此外,负责扩增saRNA的RNA聚合酶是一种来源于病毒的蛋白,它们会激发什么样的免疫反应?目前在这方面的研究信息仍然不足。

今日完成A轮融资的Replicate Bioscience公司表示,由于多种因素之间的复杂相互作用,该公司的策略是针对每种疗法,个体化设计相应的基因序列,RNA聚合酶以及递送方式。该公司将探索新的病毒品种或者亚型,并且利用合成生物学对载体进行改造,从而最大化疗法的效益/风险比。

参考资料

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