Задача РНК-вакцин такая же, как у всех остальных вакцин: заранее научить иммунитет распознавать патогены. Распознавать их можно по характерным молекулярным особенностям, например, по белкам.
В организм можно вводить сам белок или нуклеиновую кислоту ДНК или РНК, в которой он закодирован. О плюсах РНК-вакцин мы неоднократно рассказывали, в последний раз – в статье, посвящённой вакцине против рака.
Вакцинную РНК, которая кодирует, к примеру, вирусный белок, вводят в организм так, чтобы она попала внутрь клеток. В клеточной цитоплазме её сразу подхватывает белок-синтезирующий аппарат: клетка сама синтезирует вирусный белок (или его фрагмент), определённым образом его модифицирует и выставляет наружу, где его видит иммунитет. Такой способ вакцинирования позволяет эффективно задействовать как гуморальный отдел иммунитета, так и клеточный отдел.
Синтезировать РНК, которая будет кодировать нужный белок, давно не проблема. Но когда такую РНК стали использовать в экспериментах по иммунизации, оказалось, что клетки, в которые она попадает, реагируют на неё очень агрессивно, и РНК в них долго не живёт. Информация в РНК закодирована последовательностью четырёх азотистых оснований, но в составе природной РНК эти основания бывают модифицированы специальными ферментами. Модификации защищают РНК от внутриклеточных охранных систем. Если в клетке появляется РНК без модификаций, это расценивается как вторжение патогена – такую РНК клетка старается быстро уничтожить. Если же в вакцинную РНК ввести модифицированные азотистые основания, клетка будет воспринимать её как свою и сможет насинтезировать с неё много вакцинного белка. Последнюю Нобелевскую премию по физиологии и медицине как раз дали тем исследователям, которые показали, как связаны модификации в РНК и эффективность вакцинирования.
РНК-вакцины вошли в клиническую практику на волне эпидемии COVID-19. Одновременно их продолжают изучать на предмет возможных сюрпризов. Один из таких сюрпризов описан в недавней статье в Nature: в ней сотрудники Кембриджского университета пишут, что одна и та же вакцина может предъявлять иммунитету сразу несколько белков. Теоретически на вакцинной РНК должен синтезироваться только один белок, но бывает, что белок-синтезирующий аппарат начинает читать код со смещением на одну или две генетические буквы. Что это значит? Белок синтезирует сложная молекулярная машина рибосома: она едет по нити РНК, считывает последовательность аминокислот и соединяет аминокислоты в полипептидную цепь (в этом ей помогают множество разных дополнительных белков и служебных РНК, но для простоты мы о них говорить не будем). Каждая аминокислота кодируется одним или несколькими триплетами, или кодонами – то есть тремя азотистыми основаниями, тремя генетическими буквами. Соответственно, рибосома читает закодированную информацию тройками букв, начиная с первой.
Но представим, что рибосома в начале или середине пути «споткнулась» и пропустила одну или две буквы из триплета (или отскочила на ту же букву или две). Тогда изменятся все следующие триплеты. Это можно показать на примере нескольких трёхбуквенных слов: скажем, у нас есть последовательность …лом-рок-мол-ром…, и вот на такой последовательности рибосома вдруг не замечает первую «л» и читает новый ряд триплетов …омр-окм-олр… Либо же рибосома «спотыкается в середине и проезжает, не заметив, «о» в слове «рок»: …лом-ркм-олр-ом… Происходит то, что в молекулярной биологии называется сдвиг рамки считывания, и, как можно догадаться, белок при этом получится другой, не тот, который предполагался при синтезе РНК.
С одной и той же молекулы РНК сходит множество молекул белка, потому что по одной РНК одновременно едет много рибосом. Какие-то из них будут двигаться в правильной рамке, выдавая правильный белок, а какие-то будут ехать со сдвигом. Сдвиг случается как раз из-за модифицированных азотистых оснований. Как было сказано, они есть и в природной РНК, и в клетках рибосомы время от времени выдают странные белки, прочитанные со сдвигом – клетка их быстро утилизирует. Однако на вакцинной РНК белков со сдвигом получается ощутимо больше. Эксперименты показали, что на РНК антиковидных вакцин от фирм Pfizer и Moderna 8% всех белковых молекул синтезируются со сдвигом рамки считывания.
Эти белки, как без сдвига, так и со сдвигом, клетка предлагает для иммунного ответа, и в крови можно обнаружить антитела как против настоящего коронавирусного белка, так и против «сдвинутых» белков. Из двадцати человек, которым ввели РНК-вакцину от Pfizer, около трети обзавелись антителами против белков, получившихся при чтении вакцинной РНК со сдвигом. Для сравнения использовали ДНК-вакцину, когда в клетку попадает ДНК, кодирующая вакцинный белок: в этом случае клетка сначала сама копирует информацию с ДНК на РНК, чтобы потом отправить её к рибосомам. С ДНК-вакциной всё обошлось без сдвигов, и иммунитет делал антитела только против запланированного вакцинного белка.
Тем не менее, ни у кого из участников эксперимента не было никаких болезненных симптомов, которые можно было бы отнести на счет альтернативного чтения РНК, и авторы работы вообще сомневаются, что такие симптомы могут быть. Более того, чтение со сдвигом может быть даже полезным в смысле иммунной защиты. Вирусная РНК часто читается с ошибками сдвига, и при обычной инфекции в клетке, кроме правильных вирусных белков, плавают и неправильные «сдвинутые». Вполне может быть, что антитела против неправильных белков помогают лучше обнаруживать заражённые клетки. С другой стороны, если всё-таки добиваться от вакцин того, чтобы они работали так, как запланировано, то есть простой способ значительно уменьшить вероятность сдвигов. Рибосомы сдвигаются на участках, где модифицированные азотистые основания сидят вместе по двое и по трое. Благодаря особенностям генетического кода можно синтезировать искусственную РНК так, чтобы микроскоплений модифицированных оснований не случалось – тогда и РНК будет читаться рибосомами без сдвигов.
Автор: Кирилл Стасевич