Die Messenger-RNA (mRNA) hat während der Pandemie einen großen Sprung ins Rampenlicht der Öffentlichkeit gemacht, und zwar dank ihrer tragenden Rolle in mehreren COVID-19-Impfstoffen. Aber mRNAs, d. h. genetische Sequenzen, die den Körper anweisen, Proteine zu produzieren, werden auch als eine neue Klasse von Arzneimitteln entwickelt. Damit mRNAs eine breite therapeutische Anwendung finden können, müssen die Moleküle jedoch länger im Körper verbleiben als diejenigen, aus denen die COVID-Impfstoffe bestehen.
Forscher vom Broad Institute des MIT und von Harvard und MIT haben eine neue mRNA-Struktur entwickelt, indem sie den Molekülen mehrere "Schwänze" hinzufügten, die die mRNA-Aktivität in den Zellen um das 5- bis 20-fache steigerten. Das Team hat auch gezeigt, dass ihre mRNAs mit mehreren Schwänzen im Vergleich zu unveränderter mRNA in Tieren zwei- bis dreimal länger halten und, wenn sie in ein CRISPR-Gene-Editing-System eingebaut werden, zu einem effizienteren Gen-Editing bei Mäusen führen.
Die neuen mRNAs, über die in Nature Biotechnology berichtet wird, könnten möglicherweise zur Behandlung von Krankheiten eingesetzt werden, die lang anhaltende Behandlungen erfordern, bei denen Gene verändert oder fehlerhafte Proteine ersetzt werden.
Die Verwendung von mRNA in COVID-Impfstoffen ist fantastisch, was uns dazu veranlasst hat, zu untersuchen, wie wir die möglichen therapeutischen Anwendungen für mRNA erweitern können. Wir haben gezeigt, dass nicht-natürliche Strukturen viel besser funktionieren können als natürlich vorkommende Strukturen. Diese Forschung hat uns viel Vertrauen in unsere Fähigkeit gegeben, mRNA-Moleküle chemisch und topologisch zu verändern".
Xiao Wang, Hauptautor der neuen Arbeit, Mitglied des Kerninstituts am Broad und Assistenzprofessor für Chemie am MIT
"Am meisten begeistert mich die Tatsache, dass diese neue Form der mRNA von der zellulären Translationsmaschinerie so gut toleriert wird", sagte Hongyu Chen, Erstautorin der Studie und Doktorandin am MIT in Wangs Labor. "Dies eröffnet viele neue Möglichkeiten für die synthetische Modifizierung von mRNA, um ihre therapeutische Verwendung zu erweitern."
Durchhaltevermögen
Die mRNA in den heutigen COVID-Impfstoffen ist deshalb so wirksam, weil nur sehr wenig benötigt wird - einmal in den Körper injiziert, regt sie die Produktion von Proteinen an, die Teilen des COVID-Virus ähneln. "Das Immunsystem ist sehr robust, so dass es in der Lage ist, als Reaktion auf die vorübergehende Expression eines fremden Proteins viele Antikörper zu bilden", so Chen.
Damit aber dieselbe Art von mRNA genügend Proteine zur Behandlung von Krankheiten produzieren kann, die die normale Produktion essenzieller Proteine stören, wäre eine viel höhere Dosis erforderlich, die toxische Nebenwirkungen verursachen könnte.
Wangs Labor ist darauf spezialisiert zu verstehen, wie RNA von ihrer Synthese bis hin zu ihrem endgültigen Abbau und ihrer Entsorgung in den Zellen funktioniert. Wang, Chen und ihr Team wollten sich der komplexen Herausforderung stellen, eine mRNA-Struktur zu entwerfen, die stabil und aktiv ist und in niedrigen Dosen eine anhaltende therapeutische Wirkung hat.
"Ich finde mRNA sehr faszinierend, denn als Informationsmolekül wird ihre Funktion durch ihre Sequenz kodiert, während ihre Stabilität durch die chemischen Eigenschaften ihres Rückgrats bestimmt wird", so Chen. "Diese Eigenschaft gibt den Chemikern die Möglichkeit, die mRNA-Struktur umfassend zu verändern, ohne dass sie sich Sorgen machen müssen, dass die Informationen, die sie trägt, verändert werden."
Aufgrund früherer Forschungsarbeiten wussten Wang und Chen, dass ein Teil der mRNA-Struktur, der so genannte Poly(A)-Schwanz, eine wichtige Rolle beim Schutz der mRNA vor dem Abbau in den Zellen spielt. Im Jahr 2022 wiesen sie nach, dass eine chemische Modifizierung des Poly(A)-Schwanzes den natürlichen Zerfall der mRNA verlangsamt und sie damit für ein breiteres Spektrum von Therapien nutzbar macht. Sie nannten diese modifizierten Moleküle "mRNA-Oligo-Konjugate" oder mocRNAs.
Darauf aufbauend stellten Wang und Chen die Hypothese auf, dass die Entwicklung einer noch komplexeren Form von mRNA, die mehrere modifizierte Poly(A)-Schwänze enthält, die therapeutische Wirkung von mRNA noch verstärken würde. In ihrem jüngsten Versuch stellte das Team seine mRNAs mit mehreren Schwänzen her, testete sie in menschlichen Zellen und stellte fest, dass sie die mRNA-Translation viel länger aufrechterhielten als natürliche mRNA und mocRNA und im Laufe der Zeit bis zu 20 Mal mehr Proteine pro Dosis produzierten.
In Mausexperimenten entdeckten die Forscher, dass eine einzige Dosis von mRNA mit mehreren Schwänzen zu einer Proteinproduktion führte, die bis zu 14 Tage anhielt - fast doppelt so lange wie bei früheren mRNA-Technologien.
Sie verwendeten ihre mehrschwänzige mRNA auch zur Kodierung des DNA-schneidenden Cas9-Proteins als Teil des CRISPR-Cas9-Gene-Editing-Systems und testeten dies an Mäusen, um Gene zu verändern, die mit hohem Cholesterinspiegel, Pcsk9 und Angptl3 in Verbindung stehen. Sie fanden heraus, dass bereits eine einzige Dosis von Cas9 mRNA mit mehreren Schwänzen eine höhere Genbearbeitung bewirken konnte, was zu einer Verringerung des im Blutkreislauf zirkulierenden Cholesterins führte, verglichen mit Tieren, die mit Kontroll-Cas9 mRNA behandelt wurden.
Wang und Chen konzentrieren sich nun darauf, ihr Verfahren zur Synthese und Reinigung von mRNA mit mehreren Schwänzen besser skalierbar zu machen. Außerdem wollen sie genauer untersuchen, wie sich die Modifikationen der mRNA auf das Zusammenspiel zwischen ihrer therapeutischen Stabilität und Aktivität auswirken.
"Wir wollen herausfinden, wo wir die mRNA-Struktur noch verändern können, um die Effizienz zu steigern", sagt Chen und fügt hinzu, dass sie auch an Modifikationen interessiert sind, die die Geschwindigkeit verbessern, mit der Zellen die Anweisungen der mRNA scannen und übersetzen können.
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