北京时间10月2日，瑞典卡罗琳医学院宣布，将2023年诺贝尔生理学或医学奖授予德国制药公司拜恩泰科的卡塔琳·考里科（Katalin Karikó）和美国宾夕法尼亚大学的德鲁·韦斯曼（Drew Weissman），以表彰他们在核苷碱基修饰方面的发现。这些发现使得针对2019冠状病毒病（COVID-19，新型冠状病毒感染）的信使核糖核酸（mRNA）疫苗得以研发。

核苷碱基修饰与mRNA有何关系？mRNA的研究成果还将带来哪些重要影响？今天我们请知名科普作者张田勘来聊聊这个话题。

研制核酸疫苗原本不被看好

今年的诺贝尔生理学或医学奖实际上奖励的是mRNA的应用，尤其是在新冠疫情流行时，研究人员利用mRNA快速研发出mRNA新冠疫苗（即核酸疫苗），帮助人类有效应对了新冠病毒感染。

mRNA是细胞核中转录脱氧核糖核酸（DNA）的信使，两者都有核苷碱基，即遗传密码。1953年，沃森和克里克提出并证明了DNA双螺旋模型。随后在1958年，克里克提出“中心法则”，阐明生物是如何通过遗传信息产生蛋白质的：首先是以DNA为模板，通过转录产生RNA，然后以信使RNA为模板，通过翻译产生蛋白质，而蛋白质是生物学功能的直接执行者。

一言概之，所有高级生物都是按照这个中心法则来生产蛋白并维持生命的。而病毒，如冠状病毒则是通过把自己的RNA注入人体细胞，在人体细胞中复制和产生蛋白以维持自身存在，同时损害人体健康。

早在新冠病毒流行之前，研究人员就在探索以病毒（疾病）之道还治其身。具体来说，主要目标之一就是研制核酸疫苗，将病毒或病原体编码某种抗原蛋白的外源基因（DNA或RNA）直接导入到宿主（人体）细胞内，通过宿主细胞的表达系统合成抗原蛋白，后者再诱导宿主产生对该抗原蛋白的免疫应答，以达到预防和治疗疾病的目的。新冠mRNA疫苗就是通过把病毒的S蛋白导入人体细胞而发挥作用的。

但是，研制核酸疫苗需要两个基本条件：一是安全，二是有效。如果将mRNA直接注射到实验动物或人的体内，会引发强烈的非特异性免疫反应，诱发炎症，严重的可造成死亡。另一方面，mRNA具有稳定性差、对保存条件的要求较为严格、在体内表达效率低、无法产生足量蛋白质（抗原）等缺点，难以有效激发免疫系统产生抗病毒能力（细胞免疫和体液免疫）。因此，科学界和制药界一直不看好mRNA的应用前景，许多研究人员在经过尝试后纷纷放弃。说到这里，就不难理解此次诺贝尔生理学或医学奖得主之一考里科为此坚持了40年，却3次被大学辞退的原因。

幸好结局是美好的，考里科和韦斯曼的坚持为人类利用mRNA制造疫苗和药物奠定了基础。

临床应用的两大障碍被扫清

考里科和韦斯曼在研究中注意到，生物体内的免疫细胞树突状细胞会将体外转录的mRNA识别为外源物质，从而导致其激活并释放炎症信号分子。因此，他们想搞清楚为什么体外转录的mRNA会被识别为外来物质，而哺乳动物自己细胞的mRNA就是“自己人”。同时，他们意识到，一些关键特性可能会区分外源性和内源性不同类型的mRNA。比如，哺乳动物细胞RNA中的碱基经常被化学修饰，而体外转录的mRNA则不会被修饰。这提示，体外转录的mRNA中没有改变的碱基，可能是导致人体发生炎症（免疫）反应的原因。

在随后的研究中，考里科和韦斯曼通过实验证明了mRNA的结构特征是先天免疫系统“Toll样受体”反应的主要原因。Toll样受体是一种单次跨膜蛋白，可识别侵入体内的微生物进而激活免疫细胞，在先天性免疫系统中起关键作用。之后需要弄清的是，什么样的mRNA结构才会引起免疫应答反应。为此，他们设计和生产了不同的mRNA变体，每个变体的碱基都有独特的化学改变，然后将这些mRNA变体传递给树突状细胞，结果令人吃惊：当碱基修饰包含在mRNA中时，炎症反应几乎被消除。这表明，细胞有识别和响应不同形式mRNA的规则。

考里科和韦斯曼发现，mRNA的一个碱基尿嘧啶（U）与核糖有两种连接方式，正常情况下形成尿苷，但特殊情况下可以形成假尿苷（Ψ）。恰恰是这个微小差产生了不同的结果——假尿苷代替尿苷后，能形成一种特定的修饰mRNA，可以有效躲避免疫系统的识别而不再出现炎症反应。这就是此次诺贝尔生理学或医学奖的主角“核苷碱基修饰”。

经过这种修饰后的mRNA不受免疫系统的攻击，能在进入目标细胞后保持更持久的活性，并相应地产生抗原或其他对抗、治疗疾病的蛋白质（抗体）。考里科和韦斯曼的这个重要发现在2005年正式发表，比新冠疫情的发生早了15年。另外，二人在2008年和2010年发表的其他研究结果表明，与未修饰的mRNA相比，包含碱基修饰的mRNA显著增加了蛋白质产量。

因此，鉴于碱基修饰既能减少炎症反应，又能增加蛋白质产量这两方面的重大发现，可以说考里科和韦斯曼消除了mRNA临床应用道路上的关键障碍。

mRNA防治肿瘤或大有可为

由于利用mRNA研发的新冠疫苗在遏制疫情上发挥了巨大作用，今年的诺贝尔生理学或医学奖又颁发给了制造mRNA疫苗的关键技术核苷碱基修饰，所以mRNA技术得到了空前的重视。

mRNA疫苗有很多优点，比如，能够模拟病毒的天然感染过程来激活免疫系统；多个mRNA可以被包装在同一款疫苗中，提高疫苗的适用性；不同的mRNA疫苗可以使用同一生产步骤和设施。与传统疫苗相比，mRNA疫苗更易于设计、生产速度快、成本低、能诱导细胞免疫和体液免疫，并且不与基因组DNA相互作用。当然，反应原性（即疫苗产生不良反应的倾向）与传统的灭活疫苗或非RNA疫苗相似，容易产生自身免疫反应的人可能会对mRNA疫苗产生不良反应。

mRNA疫苗正在以惊人的速度发展。目前，除了多种新冠mRNA疫苗之外，针对狂犬病、寨卡病毒、埃博拉等传染病，以及癌症、自身免疫病、罕见遗传病的mRNA疫苗也正在研发之中。

以癌症疫苗为例，现在研发的mRNA癌症疫苗主要是治疗性质的，其设计原理是让人的免疫系统可以精准区分肿瘤细胞和正常细胞，通过将肿瘤抗原以多种形式（如核酸、蛋白多肽等）导入患者体内，来刺激患者自身免疫系统的反应，从而对肿瘤细胞进行清除。

虽然不同肿瘤的抗原不同，但可以笼统地分为两大类：一是肿瘤相关抗原（TAA），在肿瘤表面高度表达，但在健康细胞表面是低度表达；二是肿瘤特异性抗原（TSA），是肿瘤细胞突变产生的新生抗原，仅在肿瘤中表达，具有高度免疫原性。

显而易见，利用肿瘤特异性抗原可以让疫苗具有特异性，即高效针对某一种癌症。不过，现阶段研发的mRNA癌症疫苗主要利用的还是肿瘤相关抗原，相信未来疫苗研发的重点必将聚焦到肿瘤特异性抗原的利用上。

与今年诺贝尔生理学或医学奖有较大关系的德国制药公司拜恩泰科也在研发一系列mRNA癌症疫苗，包括黑色素瘤、肠癌、皮肤癌、肺癌、头颈癌、前列腺癌和卵巢癌等，有的已经启动2期临床试验。以黑色素瘤mRNA癌症疫苗为例，研究人员把脂质纳米颗粒作为载体包裹编码4种黑色素瘤相关抗原（NY-ESO-1、MAGE-A3、tyrosinase、TPTE），制成了黑色素瘤疫苗BNT111。另外，美国塔夫茨工程学院的研究人员也针对黑色素瘤小鼠模型设计了新的方式。他们用微小的脂质气泡来包裹和传递编码黑色素瘤抗原的mRNA，当后者与小鼠淋巴系统的细胞融合后，细胞便可读取mRNA并产生黑色素瘤抗原，从而激活免疫系统，产生抗体。

总之，得益于核苷碱基修饰方面的发现，mRNA具备了更为广阔的应用前景，新冠疫苗只是其里程碑之一，未来在肿瘤预防和治疗领域的发展，将成为科学研究的重心。

供图：视觉中国