? 在《水滸傳》中，梁山泊的座次和英雄名號(hào)被水滸迷們津津樂道，但是為什么要排這個(gè)座次可能常被人忽略。有了排序，穩(wěn)定了軍心，細(xì)化了責(zé)任。從此，梁山英雄們從占山為王的草寇，轉(zhuǎn)變?yōu)檎?guī)化的軍事武裝組織。

?和梁山英雄們的排序一樣，mRNA序列優(yōu)化的目標(biāo)也正是提高穩(wěn)定性和效率。

?為了達(dá)成這個(gè)目標(biāo)，科學(xué)家們首先將序列優(yōu)化目標(biāo)集中在了密碼子上。

?密碼子，我們在上一期中曾經(jīng)提到過，它是由相鄰的三個(gè)核苷酸組成的。在蛋白質(zhì)合成時(shí)，代表了氨基酸的規(guī)律。

?然而，能夠編碼氨基酸的密碼子有61個(gè)，它們能翻譯出的氨基酸卻只有20個(gè)；有的氨基酸可以是由多個(gè)不同的密碼子編譯而成的，體現(xiàn)了排列組合的多樣性。

?研究發(fā)現(xiàn)，如果將低豐度的稀有密碼子替換為高豐度的常見密碼子，mRNA的穩(wěn)定性和蛋白表達(dá)效率便顯著提高。同時(shí)，如果mRNA的密碼子與人體密碼子更匹配，那么將更易于被翻譯，從而提高蛋白的表達(dá)水平。

?隨著生物技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)家們對(duì)序列優(yōu)化的認(rèn)識(shí)便不再局限于密碼子優(yōu)化，mRNA二級(jí)結(jié)構(gòu)成為序列優(yōu)化的另一個(gè)重要方向。研究發(fā)現(xiàn)，mRNA在體內(nèi)會(huì)形成不同的二級(jí)結(jié)構(gòu)，二級(jí)結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，mRNA在體內(nèi)的半衰期越長，其表達(dá)出的蛋白量就越多?；谀繕?biāo)蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)來優(yōu)化氨基酸序列，使其能夠高效折疊或形成特定構(gòu)象，這是一種以終為始的高效設(shè)計(jì)理念。如在新冠mRNA疫苗中廣泛使用的S-2p Furin酶切位點(diǎn)設(shè)計(jì)，精巧地利用2個(gè)脯氨酸突變就達(dá)到了穩(wěn)定S蛋白融合前構(gòu)象的效果，使其誘導(dǎo)的中和抗體水平更高、免疫原性更強(qiáng)。

?然而，這種設(shè)計(jì)理念并不是每一次都能針對(duì)性地找到實(shí)踐解決方案，原因在于序列設(shè)計(jì)對(duì)算法的要求極高。在AI時(shí)代，需要借助計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)對(duì)二級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，幫助提高mRNA序列的結(jié)構(gòu)緊密性、轉(zhuǎn)錄穩(wěn)定性及翻譯效率，最終提升疫苗誘導(dǎo)的免疫原性。

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看一個(gè)序列優(yōu)化的具體實(shí)例：

?新冠疫苗的靶點(diǎn)：全長刺突蛋白（full-length spike protein）。

?在上市產(chǎn)品中，M公司和B公司的新冠mRNA疫苗均單獨(dú)使用全長刺突蛋白作為mRNA靶點(diǎn)；

?全長刺突蛋白有1273個(gè)氨基酸；能翻譯成全長刺突蛋白的mRNA序列有10的632次方之多！

?另外，全長刺突蛋白還擁有不同的空間構(gòu)象，兩家公司均采用了融合前穩(wěn)定（prefusion-stabilized）構(gòu)象的全長刺突蛋白，這是在模擬全長刺突蛋白未與細(xì)胞結(jié)合時(shí)的狀態(tài)。這導(dǎo)致了對(duì)應(yīng)的mRNA序列優(yōu)化工作再次增加，但得到了更好的預(yù)防效果。

?從這個(gè)例子就可以看到，尋找到二級(jí)結(jié)構(gòu)足夠穩(wěn)定、翻譯效率高、密碼子足夠優(yōu)化的mRNA序列是巨大的挑戰(zhàn)，耗時(shí)耗力耗錢。

?所以，mRNA序列優(yōu)化是mRNA平臺(tái)的核心技術(shù)。

?mRNA的序列優(yōu)化可比為梁山英雄們排序難得多，這個(gè)工作可不是用算盤能夠解決的。

?可見的趨勢是“AI+高通量驗(yàn)證法”兩條腿走路。

?2020年年中，全球首個(gè)mRNA疫苗基因序列設(shè)計(jì)算法推出，這是一種專門用于優(yōu)化mRNA序列設(shè)計(jì)的高效算法。對(duì)于新冠病毒mRNA疫苗的研發(fā)而言，這個(gè)算法能在16分鐘內(nèi)設(shè)計(jì)出大大提升疫苗分子架構(gòu)的穩(wěn)定性和蛋白質(zhì)表達(dá)水平的基因序列。

?因此，業(yè)內(nèi)人士預(yù)判，在精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)背景下，AI技術(shù)與高通量驗(yàn)證法虛實(shí)結(jié)合，將是mRNA序列優(yōu)化的新路徑，也是最新的發(fā)展目標(biāo)。而對(duì)于mRNA研發(fā)企業(yè)來說，能夠進(jìn)行全面整合新的AI技術(shù)進(jìn)入研發(fā)、并建立高通量的篩選平臺(tái)是大趨勢，這也是他們與傳統(tǒng)醫(yī)藥研發(fā)企業(yè)區(qū)分開的重要標(biāo)志。

?再次感謝中國藥學(xué)會(huì)藥學(xué)服務(wù)專業(yè)委員會(huì)委員栗世鈾教授、中科院納米生物效應(yīng)與安全性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員王浩教授對(duì)《暢談mRNA技術(shù)全流程》系列文章內(nèi)容做出的貢獻(xiàn)。