这个诺奖有份量-谈2023年诺贝尔生理学或医学奖（系列连载四）

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北京时间10月2日17时45分，瑞典卡罗林斯卡医学院诺贝尔奖委员会宣布：2023年诺贝尔生理学或医学奖授予匈牙利裔美国生物化学家卡塔琳·卡里科（Katalin Karikó）和美国医生、免疫学家德鲁·韦斯曼（Drew Weissman），以表彰他们在mRNA核苷碱基修饰方面的重大发现。

诺贝尔生理学或医学奖获奖词这样写道：“这两位诺贝尔奖获得者的发现，对于在2020年初开始的新冠肺炎疫情期间开发有效的信使核糖核酸（messenger RNA，mRNA）疫苗至关重要。通过他们的突破性发现，从根本上改变了我们对mRNA如何与免疫系统相互作用的理解，在现代人类健康面临的最大威胁之一的情况下，这些获奖者为疫苗开发的前所未有的速度作出了贡献。”

这两名科学家摘得诺奖可谓是意料之中。

2021年9月，卡里科与韦斯曼获得拉斯克基础医学研究奖（The Lasker Awards），拉斯克奖被誉为“诺奖风向标”，是国际上最重要的生物医学奖项之一。

由于两位科学家的突破研究使得高效率的新冠mRNA疫苗得以被快速研发，他们也凭此获得多项国际顶尖大奖，包括：2022年获美国科学突破奖（Breakthrough Prize），2023年获盖尔德纳奖等。

卡塔琳·卡里科(Katalin Karikó)

卡塔琳·卡里科1955年1月17日出生在匈牙利小镇基苏杰萨拉斯（Kisújszállás），父亲是一名屠夫，母亲是一名会计

1973年，卡里科考入匈牙利名校塞格德大学（University of Szeged）大学，于1982年获得塞格德大学博士学位。

1985年之前，一直在匈牙利科学院塞格德生物中心（Biological Research Centre,Szeged）生物物理研究所从事博士后研究。

1985年，她和家人一起移居美国。之后，在美国费城天普大学（Temple University）和贝塞斯达健康科学大学从事博士后研究。

1989年，成为宾夕法尼亚大学医学院的研究助理教授，直至2013年。之后，成为BioNTech RNA制药公司的副总裁，后任高级副总裁至今。

2021年以来，担任塞格德大学教授和宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院兼职教授。

卡塔琳·卡里科(Katalin Karikó)

德鲁·韦斯曼（Drew Weissman）

德鲁·韦斯曼1959年8月31日出生于马萨诸塞州的列克星顿镇（Lexington,Massachusetts）。父亲是犹太人，母亲是意大利人。

1981年，韦斯曼从布兰迪斯大学（Brandeis University）毕业，获得学士和硕士学位，专业为生物化学/酶学。

1987年，从波士顿大学获得医学学位和免疫学/微生物博士学位。曾在哈佛医学院贝斯以色列女执事医疗中心（Beth Israel Deaconess Medical Center,BIDMC）完成住院医师培训。后在美国国立卫生研究院（National Institutes of Health）进行博士后研究。

德鲁·韦斯曼（Drew Weissman）

1989年，他加入美国国立卫生研究院安东尼·福奇（Anthony Fauci，曾任美国总统首席医学顾问）实验室从事博士后研究，重点是传染性疾病。

1997年，入职宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院，并创立了专门研究RNA和先天免疫系统生物学的实验室。他和另一位获奖者卡塔琳·卡里科（Katalin Karikó）的结识也正是在这里。也是在这里，他和卡里科发现修饰RNA以用于实际治疗的方法。

现在，他是美国宾夕法尼亚大学教授、传染病科主任和宾夕法尼亚大学RNA研究所所长。

mRNA的中文名字叫“信使核糖核酸”（messenger RNA，简称mRNA）。

mRNA中的m，是英文messager（传递信息者）的首字母。之所以得名“信使核糖核酸”，是因为这种RNA遗传物质在DNA和蛋白质合成之间充当“信使”。

除一些病毒外，所有生物的遗传物质都是DNA，DNA携带着遗传基因。遗传学上有一种说法，“一个基因一个酶”，也就是说DNA上的每一个基因都对应着一种特定的酶。

酶是极其高效的催化剂。体内时时刻刻都在同时进行着各种化学过程，每个化学过程的每一步都需要不同的酶来控制和催化。有人喝酒爱醉，有人喝酒不爱醉，那是因为不同的人体内乙醇脱氢酶的活性不同。牛羊吃草可以消化，人吃草不能消化，那是因为牛羊体内有能够消化纤维素的特殊的酶。

酶的本质是蛋白质。所有生物的所有不同的蛋白质都由20种氨基酸以不同的顺序排列组合而成。所谓基因，就是确定特定蛋白质中氨基酸排列顺序的密码。基因表达就是将DNA某个区段所含特定基因的遗传密码转化成蛋白质中氨基酸的排列顺序。任何生物细胞，对DNA都是严密保护的，哪个基因该打开，哪个基因不该打开，都受到严格的控制。

为了保护DNA，生物发明了mRNA。首先以DNA为模板，将DNA上某个基因的密码转移到mRNA上，再将mRNA运送到蛋白质合成之处，最后以mRNA为模板合成蛋白质。每一种蛋白质，都有一种mRNA与之相对应。人体的免疫系统识别病毒，靠的是识别病毒颗粒表明的蛋白质。

对人体来说，遗传信息在DNA里，比如很多人非常纠结皮肤里的胶原蛋白。胶原蛋白的结构信息，都编码在DNA，然后DNA里的编码不是直接跳到蛋白质，而是经过RNA过渡。RNA这个“中介”也有几个部分，其中带着DNA里的遗传信息的是mRNA，还有tRNA、rRNA是负责制造RNA与蛋白质的，相当于mRNA是传递信息，其它是要具体做事。

通过mRNA表达基因，是mRNA疫苗的概念基础。这个想法很好。为什么？因为虽然DNA为载体表达外源基因已经有了很多广泛的应用，比如胰岛素的生产，还有现代农业的支柱之一转基因作物。但一些情况下用mRNA来表达基因要比引入DNA来表达有优势。

比如以DNA为载体在人体内表达一个基因就复杂很多。往往在长期与短期表达间无法找到平衡。像基因治疗，理论上希望一劳永逸，直接把导致疾病的基因“修好”，一次永久解决问题。但实际上要复杂得多。不像某些人想象的，吃了转基因食物人也变成转基因，人体不会直接吸收DNA片段，必须找个运输工具让人体细胞接受外源DNA。现在主要利用病毒载体。这又涉及到载体本身的安全性。

相比之下，mRNA起作用的地方在细胞质，与DNA要到细胞核不同，处于细胞较靠外的部分，不会有影响人体基因组的风险，运输进细胞的“路”也短一些。而且mRNA本身就不稳定，一些场景下反倒避免了“夜长梦多”的风险。

总之，引入用mRNA来表达外源基因有遗传学理论基础，理论上可行；用mRNA来表达基因在某些情况有优势，现实中有需求。

20世纪80年代，人们研究出了在没有细胞培养的情况下产生mRNA的有效方法，称为体外转录。这一决定性的一步，加速了分子生物学在几个领域的应用的发展，将mRNA技术用于疫苗和治疗的想法也随之出现。

到了20世纪90年代，科研人员直接为动物注射mRNA后发现，这些mRNA可产生活性蛋白质，发挥特定生物学功能，这意味着传统使用蛋白质可以实现的目标，mRNA也可以完成。

理论上可行，现实中有需求，但不一定就是能真的做到。mRNA技术也是如此。

科学家在尝试用mRNA来引入基因时，一直没法解决的问题是RNA本身的免疫原性非常强。这也符合自然规律：太多病毒都是以RNA为基因组，免疫系统早就在漫长的演化中形成了对RNA的高度戒备。虽然人体细胞都用mRNA表达基因，但是如果遇到游离的RNA分子，那么人体的第一反应就是这家伙是病毒，需要立刻消灭。引入外源mRNA到动物或人体内，发生的情况是强烈的免疫反应直接把mRNA分子大卸八块。最后不光基因没表达，还因为强烈的免疫反应导致严重副作用。

这里说强烈刺激免疫系统的免疫原性，是指刺激先天免疫系统。现在mRNA疫苗免疫原性也很好，但它们是在适当刺激先天免疫系统的情况下，成功走到下一步，就是刺激抗体等后天免疫系统，能形成良好的免疫记忆。过去mRNA那种免疫原性是连后天免疫的门都没摸到，直接造成了先天免疫的过激反应。如果换到新冠疫苗的情况，相当于打了以后高烧不退，最后一点抗体都没形成疫苗已经被降解了。

在自然界，游离的mRNA分子只有一种可能，就是个病毒。所以免疫系统千百万年进化下来，看到一个RNA分子在人体内游荡，要立刻辨别出来并且消灭。在这种情况下，说要让骗过人体免疫系统，放人造mRNA分子一马，确实是天方夜谭。因此，科学界和制药界对mRNA应用前景并不看好，许多研究人员在经过尝试后纷纷放弃。

不过，这些困难并没有阻止我们的诺奖获得者卡里科，她依然致力于mRNA的基础探索和开发利用。

20世纪90年代初，当她在宾夕法尼亚大学担任助理教授时，她认识了我们的另一位诺奖获得者德鲁·韦斯曼。韦斯曼对树突状细胞感兴趣，树突状细胞在免疫监视和激活疫苗诱导的免疫反应中具有重要功能。两位科学家很快开始了富有成效的合作，重点研究不同RNA类型如何与免疫系统相互作用。

卡里科和韦斯曼注意到，树突状细胞将体外转录的mRNA识别为外来物质，从而导致其激活并释放炎症信号分子。他们想知道为什么体外转录的mRNA被认为是外来的，而来自哺乳动物细胞的RNA（核糖核酸）却没有引起相同的反应？是不是一些关键特性必须区分不同类型的mRNA？

他们知道，RNA含有4种基本的核苷，分别是腺苷（A）、鸟苷（G）、胞苷（C）和尿苷（U）。而转运RNA（Transfer Ribonucleic Acid，tRNA）却有一个重大不同，那就是它们含有大量所谓的修饰核苷。修饰核苷与标准核苷有细微的区别，它们可能携带额外的化学基，或者它们的分子是通过不同的原子连接在一起的。这为卡里科和韦斯曼提供了思路，他们想知道，经过修饰的核苷是否可以使mRNA也产生免疫惰性。

为了验证这一想法，卡里科和韦斯曼在资金紧张的状况下，创造了一组mRNA，其中每个都携带着特定的修饰核苷。然后，他们将这些mRNA递送到树突细胞中。接着，他们对树突细胞的成熟情况进行了检测。除此之外，他们还检测了两种传感器——Toll样受体7（TLR7）和Toll样受体8（TLR8）——的激活情况，TLR7和8可以探测单链RNA，并在反应中产生细胞因子。

德鲁·韦斯曼（Drew Weissman）和卡塔琳·卡里科（Katalin Karikó）

经过这些测试，他们发现用修饰过的核苷替代常规核苷，的确可以弱化mRNA的炎症反应，因为它们无法激活TLR7和TLR8。换句话说，他们找到了制造出非炎症性的、可用于医疗的mRNA，完成了一项能改写游戏规则的发现。

卡里科和韦斯曼经过数年的合作研究进一步证实，将体外合成的mRNA中的尿嘧啶（U）替换为假尿嘧啶（Ψ）形成的修饰mRNA，可有效躲避免疫系统的识别，从而降低了mRNA进入体内引发的免疫反应（炎症）。

同时，与直接注射体外合成的mRNA相比，注射修饰mRNA显著增加了蛋白的体内表达效率。即mRNA的碱基修饰既能减少非特异性免疫反应，又可以增加蛋白质的产生，从而消除了mRNA临床应用上的关键路障。

德鲁·韦斯曼（Drew Weissman）和卡塔琳·卡里科（Katalin Karikó）

卡里科和韦斯曼立即意识到，他们的发现对于使用mRNA进行疾病的预防和治疗具有深远的意义。2005年，他们完成了一篇里程碑式的论文《toll样受体对RNA识别的抑制：核苷修饰的影响和RNA的进化起源》（Suppression of RNA recognition by Toll-like receptors:the impact of nucleoside modification and the evolutionary origin of RNA），即：通过修饰mRNA上的核苷组件来对mRNA进行修改，借此“欺骗”机体对mRNA的响应，从而阻止免疫反应的发生。论文描述了mRNA碱基修饰对树突状细胞细胞因子反应的影响。他们发现真核生物mRNA和tRNA中丰富的碱基修饰不会刺激细胞因子反应，而原核生物和体外转录的mRNA则会。，论文发表在《免疫》（Immunity，2005,23(2):165-175）期刊上。

卡塔琳·卡里科（Katalin Karikó）

卡里科和韦斯曼都意识到，这是一项打破mRNA技术瓶颈的突破，他们开始想象mRNA在许多不同疾病治疗中的应用，试图开发出可用于疫苗、基因疗法的mRNA。然而，就在他们期待从其他研究人员那里收到热烈的回应时，却发现并没有人在意这一结果。他们想，在一些会议上介绍这项工作或许会有助于传播这一结果，但并没有人邀请他们参加会议。

（本期内容到此结束，未完待续，下期更精彩！）

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