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新型冠状病毒肺炎疫苗:RNA研究与之有什么关系?

2020年12月14日
冠状病毒蛋白与人类细胞受体结合的图示.冠状病毒利用其膜上的蛋白质(分子模型中红色部分所示)与人类细胞上的受体(蓝色部分所示)结合并进入细胞. 一旦进入细胞,病毒就会利用细胞的机制制造更多的自我复制. (Juan Gaertner / 科学 Source)
罗彻斯特对RNA结构和功能的研究为开发冠状病毒治疗提供了关键信息.

美国食品和药物管理局最近批准紧急使用a 辉瑞公司开发的新冠肺炎疫苗 以及德国制药公司BioNTech.

这种疫苗创造了历史,不仅因为它在临床试验中报告了95%的预防新型冠状病毒肺炎的有效率, 而是因为这是第一个被FDA批准用于人类的基于RNA技术的疫苗.

“RNA疫苗的开发对治疗传染病的未来是一个巨大的福音,” 林恩Maquat,字母J. 洛厄尔·奥比森杰出服务校友生物化学和生物物理学教授, 肿瘤学, 罗彻斯特的儿科和RNA生物学中心主任.

新型冠状病毒肺炎是“2019冠状病毒病”的简称,由新型冠状病毒SARS-CoV-2引起. 像许多其他病毒一样,SARS-CoV-2是一种RNA病毒. 这意味着, 不像人类和其他哺乳动物, SARS-CoV-2的遗传物质编码在核糖核酸(RNA)中. 病毒RNA很狡猾:它的特征导致人体的蛋白质合成机制将其误认为是亚博买球自己DNA产生的RNA.

因此,几种领先的新型冠状病毒肺炎疫苗和治疗方法都是基于RNA技术.

一个研究小组在 罗彻斯特大学 研究病毒的RNA,以更好地了解RNA是如何工作的,以及它们是如何参与疾病的. 这项RNA研究为开发疫苗、其他药物和治疗方法以破坏病毒并阻止感染提供了重要基础.

“了解RNA的结构和功能有助于亚博买球了解如何对新型冠状病毒肺炎 RNA的作用进行治疗——制造可以感染更多亚博买球细胞和其他人细胞的新病毒,Maquat说.

RNA代表什么?

RNA代表核糖核酸.

什么是RNA?

RNA将DNA中包含的遗传指令传递给细胞的其他部分.

Covid代表什么?

Covid-19是“2019冠状病毒病”的缩写.”

在过去的几十年, 因为科学家们逐渐意识到遗传物质在很大程度上是由它编码的RNA调节的, 亚博买球的大部分DNA都会产生RNA, RNA不仅是疾病治疗的靶标,也是疾病治疗的工具, “RNA研究领域已经爆发了,Maquat说. 亚博买球明白这一点.”

2007年,Maquat成立 RNA生物学中心 作为进行跨学科研究的一种手段的功能, 结构, 以及rna的处理. 该中心包括来自河校区和医疗中心的研究人员, 结合生物学专业知识, 化学, 工程, 神经学, 和药理学.

“作为一所大学,亚博买球的优势在于亚博买球研究专业知识的多样性, 再加上亚博买球高度合作的天性,” Dragony傅他是河校区的生物学副教授,也是RNA生物学中心的成员. “亚博买球周围都是优秀的研究人员,他们增强了亚博买球对RNA生物学的理解, 以及一个提供翻译方面的医疗中心,在那里从RNA生物学获得的知识可以应用于治疗.”

RNA与疾病有什么关系?

A 图片由《亚博买球》制作 说明了导致新型冠状病毒肺炎的冠状病毒如何通过鼻子进入人体, 口, 或者眼睛,附着在亚博买球的细胞上. 一旦病毒进入亚博买球的细胞,它就会释放RNA. 亚博买球被劫持的细胞是病毒工厂, 读取病毒的RNA,制造长病毒蛋白,从而破坏免疫系统. 病毒组装新的副本,并通过唾液传播到身体的更多部位, 汗水, 还有其他体液,传染给其他人.

“一旦病毒进入亚博买球的细胞, 整个感染和再感染的过程都依赖于病毒RNA,Maquat说.

病毒如此具有挑战性的原因之一是它们对药物的反应会发生变化和变异.

这意味着每当出现新的病毒株时,就必须发明新的病毒治疗方法和疫苗. 通过对RNA基本原理的创新研究, 科学家们能够更好地开发和测试直接针对rna和对病毒生命周期至关重要的过程的治疗方法.

RNA疫苗是如何工作的?

传统的针对流感等病毒的疫苗注射的是被称为抗原的灭活病毒蛋白. 抗原刺激人体的免疫系统识别特定的病毒并产生抗体作为反应, 希望这些抗体能够对抗未来的病毒感染.

以rna为基础的疫苗——如由辉瑞/BioNTech和美国生物技术公司现代开发的疫苗——不引入抗原, 而是注入一段短序列的合成信使RNA (mRNA),它被包裹在一种特殊设计的脂质纳米颗粒中. 这种信使rna向细胞提供指令,使细胞自己产生病毒抗原.

一旦疫苗的信使rna进入亚博买球体内, 例如, 它“指导”亚博买球细胞中的蛋白质合成机制, 它通常会从来自亚博买球基因的mrna中产生蛋白质, 来制造一段SARS-CoV-2病毒刺突蛋白. 因为SARS-CoV-2病毒刺突蛋白对亚博买球的身体来说是外来的, 亚博买球的身体会产生抗体使蛋白质失活.

“如果病毒从感染者身上进入亚博买球的身体, 这些抗体会结合到病毒的刺突蛋白上,使病毒失活, 病毒囊的外层是什么,Maquat说.

因此,一种基于rna的疫苗就像一种代码,指示身体自身制造许多病毒蛋白质的副本——以及由此产生的抗体, 导致免疫反应.

与传统疫苗不同, 基于rna的疫苗也有好处,因为它们不需要与实际的病毒一起工作.

“使用活病毒是昂贵的,而且非常复杂, 要求研究人员使用专门的生物安全实验室,并穿戴笨重的个人防护设备,以“生物控制”病毒,没有人会被感染,Maquat说.

此外,从活病毒中开发疫苗比生产基于mrna的疫苗需要更长的时间, 但“没有人应该认为这个过程很简单,Maquat在谈到辉瑞/BioNTech的疫苗时说. “因为这是第一个这样的项目,所以有很多工作要做.”

亚博买球的RNA研究如何适用于新型冠状病毒肺炎?

道格·安德森的横向肖像, Dragony傅, 和琳恩·马奎特, 研究病毒RNA的科学家.

研究员道格拉斯·安德森, Dragony傅, 和林恩Maquat是亚博买球的科学家,他们研究病毒的RNA,以更好地了解RNA是如何工作的以及它们是如何参与疾病的. (亚博买球图片/马特维特梅尔/ J. 亚当窗口)

Maquat从1972年开始研究RNA,是最早一批认识到RNA在人类健康和疾病中发挥重要作用的科学家之一.

亚博买球的细胞有许多方法来对抗病毒,这可以被视为宿主和病毒之间的“军备竞赛”. 亚博买球细胞武器库中的一种武器是Maquat发现的一种RNA监控机制,称为无意义介导的mRNA衰变(NMD)。.

“无意义介导的mRNA衰变保护亚博买球免受许多可能导致疾病的基因突变的影响,如果NMD没有活跃地破坏携带突变的RNA,她说.

Maquat的发现促进了遗传性疾病(如囊性纤维化)药物治疗的发展, 这可能有助于开发冠状病毒的治疗方法.

“NMD还帮助亚博买球对抗病毒感染, 这就是为什么许多病毒会抑制或逃避NMD,她补充道. “新冠病毒的基因组是一种阳性意义的单链RNA. 众所周知,其他积极的意义, 单链RNA病毒通过具有阻止NMD降解病毒RNA的RNA结构来逃避NMD.”

Maquat的实验室一直在与哈佛大学的一个实验室合作,测试病毒蛋白如何抑制NMD机制.

他们最近的工作重点是被称为N的SARS-CoV-2结构蛋白. 实验室实验和来自受感染人类细胞的数据集表明,这种病毒不同寻常,因为它不抑制调节亚博买球的许多基因和病毒的一些基因的NMD途径. 相反,病毒N蛋白似乎促进了这一途径.

“SARS-CoV-2复制其RNA基因组的效率比其他致病人类病毒高得多,Maquat说. “Maybe there is a connection there; time will tell.”

在生物系,傅和 杰克·维伦 纳撒尼尔和海伦·威斯奇生物学教授, 获得了美国国家科学基金会的快速资助,将他们在细胞和进化生物学方面的专业知识应用于研究与新型冠状病毒肺炎感染有关的蛋白质. 这笔资金是NSF快速反应研究(Rapid)计划的一部分,该计划旨在为高优先级项目筹集资金.

Werren的研究对于改善新型冠状病毒肺炎感染的一些潜在副作用非常重要, 包括血栓和心脏病, 而傅的研究将为病毒感染对人体细胞代谢的潜在影响提供见解.

亚博买球的研究将深入了解病毒感染对宿主细胞过程的潜在影响,傅莹说. “确定哪些细胞功能受到病毒的影响,有助于减轻新型冠状病毒肺炎造成的一些负面影响.绿色=说了两遍.

道格拉斯•安德森, Aab心血管研究所的医学助理教授和RNA生物学中心的成员, 研究了RNA突变如何导致人类疾病,并发现了替代疗法, 比如基因编辑技术CRISPR, 可能还会“引入一种新的方法来瞄准和抗击传染病?,他说.

在过去几年里, 安德森的实验室开发了使用rna靶向CRISPR-Cas13治疗影响肌肉功能的人类遗传疾病的工具和传输系统. CRISPR-Cas13就像一把分子剪刀,可以针对特定的rna进行降解, 使用小, 可编程引导rna.

当武汉的健康危机第一次显现出来时, 中国, 安德森实验室的研究人员将重点转向开发一种针对SARS-CoV-2的CRISPR-Cas13疗法. 应用现有的关于冠状病毒RNA复制的知识, 他们设计了单个CRISPR引导RNA,能够针对SARS-CoV-2感染细胞内产生的每一种病毒RNA. 使用安德森实验室开发的一种新的克隆方法, 多个CRISPR引导RNA可以被包装成一个单一的治疗载体(基因工程载体),以同时靶向多个病毒RNA位点. 多管齐下的靶向策略可以作为一种治疗方法,以防止病毒诱导的细胞毒性,并防止可能发生突变的病毒“逃逸”.

传染性病毒和流行病似乎是凭空冒出来的, 这使得快速开发和筛选传统小分子疗法或疫苗变得困难,安德森说. “很明显,有必要开发替代靶向疗法, 比如CRISPR-Cas13, 有能力迅速重新规划以针对新出现的流行病.”

与此同时,人们正在考虑许多针对新型冠状病毒的新疗法, 有一件事是肯定的, Maquat说:“靶向RNA, 或者它产生的蛋白质, 是治疗这种疾病所必需的吗.”

RNA将在未来的疫苗和疾病治疗中扮演什么样的角色?

今天生活在美国的大多数人只了解过1918年的流感大流行和相对较新的RNA病毒, 比如埃博拉病毒或寨卡病毒, 这在其他国家也很常见.

“RNA治疗极有可能成为治疗这些疾病和其他新兴疾病的未来浪潮,Maquat说. “由于国际旅行,世界变得越来越小,流行病学家知道新的传染性病原体正在到来, 包括往返于人和动物密切接触的地方.”

尤其是蝙蝠,它们是病毒的宿主. 许多蝙蝠物种能够与病毒共存而不会产生不良影响, 考虑到蝙蝠不同寻常的生理机能. 如果这些蝙蝠病毒发生变异,就能感染人类, 然而, 会有新的疾病, Maquat说.

“这只是何时发生的问题,以及病毒是什么. 希望亚博买球能够做好准备,并能够利用针对新型冠状病毒肺炎的新管道开发针对这些新病毒的疫苗.”

本文最初发表于2020年4月28日,并于2020年12月14日更新.


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类别: 科学 & 技术