Polscy naukowcy jako pierwsi na świecie stworzyli cyrkularne mRNA metodą chemiczną. To może pomóc w leczeniu genetycznych chorób rzadkich

Zespół badaczy, w skład którego wchodzą przedstawiciele Centrum Nowych Technologii Uniwersytetu Warszawskiego, Uniwersytetu Medycznego w Warszawie i Międzynarodowego Instytutu Biologii Molekularnej i Komórkowej, dokonał bezprecedensowych osiągnięć w zakresie cyrkularyzacji mRNA – cząsteczki dostarczającej lecznicze geny. Jej kolista struktura uzyskana przez naukowców przyczynia się do wydłużenia czasu życia RNA, a co za tym idzie, dłuższej produkcji białek terapeutycznych. Jest to przełomowe dokonanie, które jest ważnym krokiem w projektowaniu nowej generacji leków RNA. W przyszłości mogą wspomóc leczenie genetycznych chorób rzadkich, w tym mukowiscydozy.

W pracy pt. „Chemical circularization of in vitro transcribed RNA for exploring circular mRNA design” opublikowanej 12 lipca br. na łamach czasopisma „Nature Communications” opisano kilka bezprecedensowych osiągnięć w cyrkularyzacji RNA, w tym chemiczną cyrkularyzację mRNA kodującego białko pełnej długości, chemiczną cyrkularyzację in vitro RNA, rozwój kolistych RNA, które ulegają translacji zależnej od CAP-u, oraz cyrkularyzację modyfikowanego RNA.

– Cyrkularne RNA jest nietypową formą informacyjnego RNA. Występuje ono w naturze, odkryto to stosunkowo niedawno, ale od kilku lat rozważa się również wykorzystanie terapeutyczne takiego mRNA. Istnieją metody biochemiczne jego syntezy, ale to podejście ma pewne wady. Główną jest między innymi to, że cyrkularne RNA ulega translacji jak RNA wirusowe. Natomiast żeby to cyrkularne RNA ulegało translacji tak jak nasze ludzkie RNA w komórkach, to należy tam zamontować strukturę CAP-u – wyjaśnia w rozmowie z agencją Newseria prof. dr hab. Jacek Jemielity z Centrum Nowych Technologii Uniwersytetu Warszawskiego. – To, co my zrobiliśmy, to po raz pierwszy zamknęliśmy olbrzymie i bardzo wrażliwe cząsteczki, jakimi są RNA, metodami chemicznymi w kółko. To powoduje, że mogliśmy tam wprowadzić strukturę, która jest odpowiedzialna za translację w taki sposób, jak się to dzieje u ludzi.

Translacja to proces rozszyfrowywania informacji zawartej w mRNA, na podstawie której dochodzi do produkcji białek. Niezbędny jest do tego CAP (czapeczka), czyli struktura znajdująca się na końcu podłużnego RNA. Badacze utworzyli kółko i do chemicznego kolistego RNA zamontowali CAP. Jest to możliwe do przeprowadzenia tylko za pomocą chemii.

– Cyrkularne RNA ma szereg zalet. Najważniejszą jest to, że jest pozbawione końców, a w mRNA są one najsłabszymi ogniwami, od nich rozpoczyna się degradacja. Dzięki temu, że udało nam się wyeliminować te końce, łącząc je ze sobą i zamykając RNA w kółko, w takiej formie może ono trwać w komórkach dłużej i dzięki temu białko również może powstawać znacznie dłużej – tłumaczy prof. Jacek Jemielity.

W ten sposób RNA służy dłużej jako matryca do produkcji białek. W przypadku niektórych sekwencji mRNA ilość wyprodukowanego białka dla RNA, które „zamknięto w kółko” , w porównaniu do prekursorowego mRNA liniowego była nawet do 370 razy większa.

Naukowcy do stworzenia kolistej struktury RNA wykorzystali metodę chemiczną – reakcję, która była na tyle łagodna, aby nie uszkodzić cząsteczki RNA niezwykle wrażliwej na różnego typu warunki. Naukowcom wydawało się, że na większych cząsteczkach spotkanie dwóch końców jest mało prawdopodobne. Dlatego prace rozpoczęto od bardzo krótkich, kilkunastonukleotydowych fragmentów RNA.

– Ku naszemu zaskoczeniu to działało całkiem nieźle. Natomiast oczywiście sytuacja mogłaby się zupełnie zmienić, kiedy przechodzimy do takich mRNA, które już kodują jakieś białka – to są RNA o długości 1 tys. lub 2 tys. nukleotydów, najdłuższe, jakie testowaliśmy, to było 4 tys. nukleotydów RNA kodujące szczepionkę przeciw COVID-owi – mówi badacz. – Byliśmy niezwykle zaskoczeni tym, że mimo że cząsteczka jest olbrzymia i te dwa końce muszą się ze sobą spotkać, żeby przereagować, to ta reakcja zachodziła niezwykle efektywnie. Wydajność procesu cyrkularyzacji przekraczała nawet 60 proc.

Jak podkreśla, przeprowadzone badania pokazały, że bardzo wrażliwe cząsteczki RNA mogą ulegać reakcjom chemicznym.

– Kiedy rozpoczynaliśmy ten projekt, to ta myśl wydawała się zupełnie szalona. To otwiera zupełnie nową drogę w myśleniu o modyfikacjach RNA do zastosowań terapeutycznych – mówi ekspert z z Centrum Nowych Technologii Uniwersytetu Warszawskiego.

Jeśli chodzi o wydłużenie czasu życia mRNA, pojawiają się nowe możliwe zastosowania tej technologii w leczeniu, które do tej pory były jedynie rozważane.

– Są to rzadkie choroby genetyczne, czyli choroby, w których terapeutyczne białko musi być dostarczane znacznie dłużej niż w zastosowaniach szczepionkowych, ponieważ tamto białko terapeutyczne musi być produkowane przez całe życie pacjenta. Więc to liniowe RNA, które łatwo ulega degradacji, średnio nadaje się do takich zastosowań – podkreśla prof. Jacek Jemielity.

Jednym z przykładów jest mukowiscydoza – choroba płuc, w której białko będące transportem jonów jest zmutowane. 

– Jedna cegiełka w tym białku jest podmieniona na inną i to już powoduje dysfunkcję. Pomysłem na leczenie tego typu chorób jest dostarczanie RNA kodujące prawidłową formę tego białka – wyjaśnia ekspert.

Naukowiec podkreśla, że badania nad kulistą formą RNA wciąż są w początkowej fazie. Kolejnym celem zespołu badawczego jest m.in. podniesienie wydajności procesu cyrkularyzacji do nawet powyżej 80 proc.

– Będziemy również pracować nad zwiększeniem aktywności biologicznej. Pierwsze testy in vivo na myszach pokazują, że nasze cyrkularne RNA jest aktywne biologicznie, ale teraz będziemy optymalizować strukturę tego RNA, żeby produkcja białka nie tylko trwała znacznie dłużej, ale również była jak najwydajniejsza – tłumaczy prof. Jacek Jemielity. – Ostatnim etapem będzie oczywiście pokazanie zastosowań cyrkularnego RNA, czyli już w tej chwili myślimy o tym, na jakim modelu choroby chcemy pokazać, że ta technologia działa lepiej od tego, co już istnieje na rynku.