mRNA制備解決方案

mRNA疫苗在covid-19疫情出圈后，基于mRNA開(kāi)發(fā)新療法更加受到關(guān)注，包括mRNA傳染病疫苗、腫瘤免疫療法（癌癥疫苗）、治療性蛋白質(zhì)替代療法和遺傳疾病治療等。 

基于mRNA技術(shù)的covid-19廣泛使用。目前，全球范圍內已有2種mRNA疫苗獲得FDA的EUA（緊急使用授權），分別是由德國B(niǎo)ioNTech、輝瑞和復星醫藥共同研發(fā)的BNT162b2（有效率95%）以及美國Moderna公司研發(fā)的mRNA-1273（有效率94.1%）。

在國內，由沃森生物、蘇州艾博生物、軍事科學(xué)院軍事醫學(xué)研究院共同研制的mRNA covid-19ARCoV將于5月30日起在墨西哥開(kāi)始III期試驗；斯微生物的mRNA疫苗也進(jìn)入了I期臨床試驗。

既然mRNA疫苗這么受歡迎，今天我們就來(lái)講講mRNA疫苗是如何體外制備的。

mRNA疫苗的制備

以covid-19為例，我們首先分離出病毒株，測序及分析獲得病毒的完整基因序列，然后通過(guò)基因工程技術(shù)，利用化學(xué)合成的方式，合成S刺突蛋白所對應的病毒RNA片段，為了方便接下來(lái)的RNA大量復制，RNA片段首先在DNA聚合酶的作用下，發(fā)生逆轉錄合成雙鏈DNA結構。在基因克隆技術(shù)中，通常將要復制的DNA嵌入到載體質(zhì)粒中，利用細菌快速繁殖，培養，復制出大量嵌入S蛋白DNA質(zhì)粒的細菌，經(jīng)過(guò)提取，分離，純化等工藝，得到大量純凈S蛋白DNA。S蛋白DNA通過(guò)使用轉錄試劑完成體外轉錄得到大量mRNA,mRNA單獨存在時(shí)結構并不穩定，所以在最終制成疫苗時(shí)，需要在mRNA外層包裹一層脂類(lèi)，最終完成mRNA疫苗的制備。

mRNA的結構及優(yōu)化策略

1 mRNA加帽

真核細胞mRNA的5'端有一個(gè)帽子結構，它是在mRNA轉錄后，由甲基化的鳥(niǎo)苷酸（m7G）經(jīng)焦磷酸化與mRNA的5'端核苷酸相連。5'端帽子結構在mRNA許多生物學(xué)功能中起到重要的作用，這包括：mRNA的剪切、穩定、轉運和核糖體的募集等。由于5'端帽子結構的重要生物學(xué)功能，在mRNA疫苗研發(fā)過(guò)程中需要優(yōu)化5'端帽子結構，并利用合適的工藝對mRNA原料進(jìn)行“加帽”。

mRNA疫苗產(chǎn)品的加帽可以在mRNA的體外轉錄過(guò)程中通過(guò)摻入“帽子序列”實(shí)現，這種加帽技術(shù)會(huì )將加帽序列反向加在mRNA上，這會(huì )導致約1/3的加帽失敗。通過(guò)摻入特殊的帽子結構——“anti-reverse”帽子結構（ARCA）可以降低這種反向加帽失誤的出現。另外，還可以先合成不帶帽子結構的mRNA，再利用痘病毒的“加帽復合物”對mRNA進(jìn)行加帽，這也是一種mRNA的加帽手段。

2.非翻譯區序列（UTRs）修飾

在mRNA的編碼區兩端各存在一段非翻譯區（UTRs），在5'端的被稱(chēng)為5'端UTR，在3'端的被稱(chēng)為3'端UTR。

非翻譯區序列不是密碼子，不能翻譯成氨基酸，但是可以通過(guò)RNA結合蛋白控制mRNA產(chǎn)品的降解和轉錄效率。因此，每一種mRNA疫苗都需要考慮如何設計產(chǎn)品的UTR組件，進(jìn)而提高在目的細胞中mRNA疫苗的穩定性和轉錄效率。大量的研究發(fā)現非洲爪蟾和人源的α-球蛋白/β-球蛋白的UTR序列非常穩定，而且能夠增加異源的mRNA的表達效率，因此這兩個(gè)蛋白的UTR原件通常被設計為mRNA疫苗的UTR組件。當然，也有其它蛋白的UTRs被研究用于mRNA疫苗的組件，在此不再贅述。

3.Poly（A）

大多數真核生物的mRNA 的3'端都有由100~200個(gè)腺苷酸聚合形成的Poly（A）尾巴。mRNA的Poly（A）尾巴可以和5'端帽子結構共同合作，增強mRNA結構的穩定性。Poly（A）尾巴首先和大量的Poly（A）結合蛋白（PABP）結合，然后募集真核生物起始因子4G（eIF4G），增加Poly（A）跟5'端帽子結構的親和力，最終mRNA的Poly（A）尾巴和5'端帽子結構首尾相接，形成環(huán)裝mRNA。環(huán)裝mRNA結構有利于核糖體的募集，其特殊的結構也能保護mRNA不被降解。

在mRNA體外合成過(guò)程中，Poly（A）尾巴可以通過(guò)質(zhì)粒DNA模板轉錄獲得，也可以先合成mRNA再通過(guò)Poly（A）聚合酶加上不同單位數量的尾巴。前者能夠在mRNA產(chǎn)品中加入特定數目的Poly（A），而后者加入的單位數不確定。

Poly（A）尾巴的單位數目對于其生物學(xué)作用起到了至關(guān)重要的作用。在哺乳動(dòng)物細胞內，活躍表達的mRNA包含的Poly（A）序列的長(cháng)度為100-250個(gè)。有研究發(fā)現，表達效率越高的mRNA，其Poly（A）尾巴越短。但是當Poly（A）單位長(cháng)度小于12時(shí)，mRNA結構就不再穩定，容易被降解。在設計mRNA疫苗產(chǎn)品的序列時(shí)，Poly（A）的長(cháng)度也是非常重要的優(yōu)化指標。

4. 開(kāi)放閱讀框

開(kāi)放閱讀框（Open Reading Frame, ORF）包涵了mRNA的全部編碼序列，負責進(jìn)入人體后表達mRNA運載的抗原靶蛋白。

密碼子水平的修飾，利用常用的密碼子，選用tRNA較多的密碼子；使各個(gè)密碼子的比例更接近靶物種或者細胞的比例；

GC含量的修飾，避免復雜二級結構形成；二級結構對mRNA的延伸和轉錄非常重要，高穩定的二級結構和發(fā)夾結構需要避免。這樣的二級結構可以阻止核糖體的進(jìn)入、掃描以及容易被先天性免疫識別為PAMP。

mRNA疫苗制備試劑盒：

Cellscript   T7 mScript™ Standard mRNA Production System  C-MSC11610/C-MSC100625

該試劑盒包含T7 RNA聚合酶，加帽酶，加尾酶，以及2'-O-甲基轉移酶， 可以一站式解決mRNA制備過(guò)程。

T7-FlashScribe™ Transcription Kit  C-ASF3507  以1ug線(xiàn)性化的DNA為模板，在30min內體外轉錄可以得到180ug的RNA。

其他相關(guān)產(chǎn)品

北京和一生物作為Cellscript的國內授權代理，為你提供CellScript公司全套的mRNA生產(chǎn)的原料，目前產(chǎn)品主要包括體外轉錄試劑盒，帽類(lèi)似物，加帽酶，加尾酶，以及一些修飾核苷等等，北京和一生物為你提供全套mRNA制備的解決方案，助力抗擊covid-19，期待你的咨詢(xún)！