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题目：N1-methylpseudouridylation of mRNA causes +1 ribosomal frameshifting
期刊：Nature
IF：69.504
发表时间：2023年12月6日
通讯作者单位：剑桥大学
DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-023-06800-3
主要内容：
信使RNA的修饰成分会导致蛋白质生产机制在翻译过程中停滞。这可能会改变正在制造的蛋白质，这一发现对疫苗或疗法有影响。
信使 RNA 技术的进步导致两种靶向 SARS-CoV-2 的 mRNA 疫苗在应对 COVID-19 大流行中发挥了重要作用。这些疫苗不是使用细胞制造 mRNA，而是使用在实验室体外制造的 mRNA，称为体外转录 （IVT） mRNA。了解IVT mRNA在翻译过程中如何编码蛋白质的细节（由核糖体和转移RNA的机制介导的蛋白质产生）可能有助于此类技术的未来应用。Mulroney 等人揭示核糖体可以沿着mRNA的修饰版本（包括一些经过化学修饰的核苷成分的序列）停滞在“滑溜溜”的序列上;这可能会导致蛋白质产品异常。在这种核苷修饰的mRNA疫苗和其他非疫苗治疗性RNA的背景下，这可能会导致意想不到的后果。
细胞含有许多用于防御的蛋白质受体，可以感知病毒 RNA 并做出反应。大量研究表明，IVT mRNA可引起免疫系统过度刺激，由于这些先天感应机制，可能会干扰这种 mRNA 在疫苗或疗法中的效用。与IVT mRNA生产相关的一个关键发现是，对于核苷酸的核苷部分，用修饰版本（分别为N1-甲基假尿苷（缩写为m1Ψ）和5-甲基胞苷代替核苷尿苷和胞苷可以抵消免疫系统的非特异性反应性。然而，这种修饰是否会影响mRNA的翻译保真度，以前还没有报道。
Mulroney 及其同事通过设计 IVT mRNA 报告基因系统来研究 m1Ψ 修饰对 mRNA 翻译保真度的影响，该系统能够识别称为 +1 移码的特定翻译错误。这个过程导致核糖体在处理mRNA时“滑移”，错过了编码氨基酸的三个核苷酸（称为密码子）中的第一个（图1）。取而代之的是，序列中的第二个核苷酸成为密码子的第一个核苷酸，密码子现在包含第三个核苷酸，该核苷酸通常是下一个密码子的一部分。此后，每个密码子都会偏移。这可能导致蛋白质产物与预期的氨基酸“框内”序列不同，因为翻译是将正常编码序列的一个核苷酸“移出框外”。
作者的数据表明，m1Ψ 修改导致 +1 帧移。这达到了约8%的水平，相当于相应量的框内蛋白质。移码会导致蛋白质错误折叠、截短或其他异常。未修饰的mRNA或其他修饰的核苷（如5-甲基胞苷）未观察到这一观察结果。
编码病毒刺突蛋白的 SARS-CoV-2 mRNA 疫苗，例如 BNT162b2（辉瑞/BioNTech）和 mRNA-1273（Moderna），含有 m1Ψ 修饰的 mRNA。作者通过检查动物和人类中称为 T 细胞的免疫细胞的 SARS-CoV-2 刺突特异性反应，解决了 +1 移码是否会影响 mRNA 疫苗诱导的免疫。
与抗病毒保护相关的两个关键免疫特征是抗体反应和 T 细胞反应的诱导。在称为抗原呈递的防御过程中，称为树突状细胞的免疫细胞用跨越抗原长度的肽片段（驱动免疫反应的蛋白质部分）引发 T 细胞。+1 移码蛋白的产生可能导致意外的肽呈递和脱靶 T 细胞反应的启动。
作者比较了接种BNT162b2的小鼠的T细胞反应与接种非mRNA疫苗ChAdOx1 nCoV-19的小鼠的反应。两种疫苗都引发了T细胞对框内SARS-CoV-2刺突蛋白产生的肽的反应。然而，BNT162b2 免疫小鼠也引发了对 +1 移码刺突肽的 T 细胞反应，而 ChAdOx1 免疫小鼠则没有。
通过研究来自接受BNT162b2或ChAdOx1免疫的个体的人类样本，这些发现得到了扩展。两种疫苗都产生了对框内肽的T细胞反应。然而，BNT162b2 引发了对 +1 移码肽的 T 细胞反应。这表明，翻译中缺乏保真度会导致疫苗蛋白质输出不均匀而产生意想不到的后果，导致诱导脱靶免疫反应，并可能影响产品效力。没有证据表明，通过许多在许可后监测疫苗安全性的系统，包括疫苗不良事件报告系统、疫苗安全数据链和临床免疫安全评估项目，将这种现象与COVID-19 mRNA疫苗的安全问题联系起来。
许多自然机制都可能导致移码。作者研究了m1Ψ修饰的mRNA是否会影响核糖体停滞，这一过程可导致+1移码。mRNA 的翻译速率在 mRNA 转录本的长度上不是恒定的。这是因为在蛋白质生产过程中与匹配的 mRNA 密码子结合并提供特定氨基酸的转移 RNA 的丰度存在差异。核糖体可能会在“滑溜溜”的 mRNA 序列上停滞不前，而该序列几乎没有相应的 tRNA，这可能导致 +1 移码以容纳更丰富的 tRNA。
使用标记的核苷酸来跟踪翻译，作者观察到m1Ψ修饰的mRNA的翻译速率比未修饰的mRNA慢。如果 m1Ψ 修饰的密码子导致核糖体停滞，则扩大可用 tRNA 库应防止停滞。使用能够结合不匹配 tRNA 的药物巴龙霉素，作者报告说，这种治疗提高了 m1Ψ- 修饰的 mRNA 的翻译率，这支持了核糖体停滞是导致这种现象的原因的假设。
为了研究核糖体停滞的可能补救措施，作者使用了他们的体外系统。他们在报告基因系统中发现了滑溜溜的位点，并改变了相应的mRNA序列，使其具有一些同义替换，这些替换改变了mRNA序列，但不改变了编码的氨基酸。目标是在框架中保留正确的氨基酸序列，并限制滑溜序列的影响。序列中的替换在体外减少了 +1 个移码产物，说明了改善这种现象的方法。
这项研究对修饰mRNA产品的开发具有重要意义。进一步评估 T 细胞和抗体对由 m1Ψ 修饰的 mRNA 疫苗编码的疫苗抗原制成的 +1 移码蛋白产物的反应将提供信息。脱靶 T 细胞或抗体反应有可能被错误地定向到不相关的靶蛋白上，从而影响产品性能并导致意外的体内产品复杂性。Mulroney及其同事的研究强调了未来研究的一个关键方面，这可能有助于我们理解修饰的mRNA序列的设计，从而进一步改善结果。有必要进行研究，以确认和扩展由mRNA修饰引起的体内移码的影响，以及研究其他改善方法。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06800-3
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