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ARN mensajero modificado con nucleósidos

Un ARN mensajero modificado con nucleósidos ( modRNA ) es un ARN mensajero sintético (ARNm) en el que algunos nucleósidos son reemplazados por otros nucleósidos naturalmente modificados o por análogos de nucleósidos sintéticos . [1] El modRNA se utiliza para inducir la producción de una proteína deseada en determinadas células. Una aplicación importante es el desarrollo de vacunas de ARNm , de las cuales las primeras autorizadas fueron las vacunas contra el COVID-19 (como Comirnaty y Spikevax ).

Fondo

Un ribosoma (representado en verde) crea una proteína (representada aquí como una cadena de cuentas que representan aminoácidos ) codificada en un ARNm (representado como una cinta de nucleótidos ) que puede modificarse para reducir la inflamación en la célula.

El ARNm se produce mediante la síntesis de una hebra de ácido ribonucleico (ARN) a partir de bloques de construcción de nucleótidos según una plantilla de ácido desoxirribonucleico (ADN), un proceso que se denomina transcripción . [2] Cuando los componentes básicos proporcionados a la ARN polimerasa incluyen nucleósidos no estándar como pseudouridina , en lugar de los nucleósidos estándar de adenosina , citidina , guanosina y uridina , el ARNm resultante se describe como modificado con nucleósidos. [3]

La producción de proteínas comienza con el ensamblaje de ribosomas en el ARNm, que luego sirve como modelo para la síntesis de proteínas al especificar su secuencia de aminoácidos basada en el código genético en el proceso de biosíntesis de proteínas llamado traducción . [4]

Descripción general

Para inducir a las células a producir proteínas que normalmente no producen, es posible introducir ARNm heterólogo en el citoplasma de la célula, evitando la necesidad de transcripción. En otras palabras, se "introduce de contrabando" un modelo de proteínas extrañas en las células. Sin embargo, para lograr este objetivo, es necesario evitar los sistemas celulares que impiden la penetración y traducción de ARNm extraño. Existen enzimas casi ubicuas llamadas ribonucleasas (también llamadas ARNasas) que descomponen el ARNm desprotegido. [5] También existen barreras intracelulares contra el ARNm extraño, como los receptores del sistema inmunológico innato , el receptor tipo peaje (TLR) 7 y el TLR8 , ubicados en las membranas endosómicas . Los sensores de ARN como TLR7 y TLR8 pueden reducir drásticamente la síntesis de proteínas en la célula, desencadenar la liberación de citocinas como el interferón y el TNF-alfa y, cuando son suficientemente intensos, provocar la muerte celular programada . [6]

La naturaleza inflamatoria del ARN exógeno puede enmascararse modificando los nucleósidos del ARNm. [7] Por ejemplo, la uridina se puede reemplazar con un nucleósido similar como pseudouridina (Ψ) o N1-metil-pseudouridina (m1Ψ), [8] y la citosina se puede reemplazar por 5-metilcitosina . [9] Algunos de estos, como la pseudouridina y la 5-metilcitosina, se producen de forma natural en eucariotas , [10] mientras que m1Ψ se produce de forma natural en arqueas . [11] La inclusión de estos nucleósidos modificados altera la estructura secundaria del ARNm, lo que puede reducir el reconocimiento por parte del sistema inmunológico innato y al mismo tiempo permitir una traducción efectiva. [9]

Importancia de las regiones no traducidas

Un ARNm normal comienza y termina con secciones que no codifican aminoácidos de la proteína real. Estas secuencias en los extremos 5' y 3' de una cadena de ARNm se denominan regiones no traducidas (UTR). Las dos UTR en los extremos de sus cadenas son esenciales para la estabilidad de un ARNm y también de un ARNmod, así como para la eficacia de la traducción, es decir, para la cantidad de proteína producida. Seleccionando UTR adecuadas durante la síntesis de un modRNA, se puede optimizar la producción de la proteína diana en las células diana. [5] [12]

Entrega

Comparación de la absorción de ARN y modRNA por la célula.

En la introducción de modRNA en determinadas células diana intervienen varias dificultades. En primer lugar, el modRNA debe protegerse de las ribonucleasas . [5] Esto se puede lograr, por ejemplo, envolviéndolo en liposomas . Este "empaquetado" también puede ayudar a garantizar que el modRNA se absorba en las células diana. Esto es útil, por ejemplo, cuando se utiliza en vacunas , ya que las nanopartículas son absorbidas por las células dendríticas y los macrófagos , los cuales desempeñan un papel importante en la activación del sistema inmunológico. [13]

Además, puede ser deseable que el modRNA aplicado se introduzca en células corporales específicas. Éste es el caso, por ejemplo, cuando se desea estimular la multiplicación de las células del músculo cardíaco . En este caso, el modRNA empaquetado se puede inyectar directamente en una arteria como una arteria coronaria . [14]

Aplicaciones

Un campo de aplicación importante son las vacunas de ARNm .

Karikó y Weissman fueron pioneros en reemplazar la uridina con pseudouridina para evadir el sistema inmunológico innato en 2005. [15] [16] Ganaron el Premio Nobel de Fisiología o Medicina 2023 como resultado de su trabajo. [17]

Otro hito se logró al demostrar la eficacia para salvar vidas del ARNm modificado con nucleósidos en un modelo de ratón de una enfermedad pulmonar letal por parte del equipo de Kormann y otros en 2011. [18]

La N1-metil-pseudouridina se utilizó en ensayos de vacunas contra el Zika , [19] [20] [21] VIH-1 , [21] influenza , [21] y Ébola [22] en 2017-2018. [23] :  5 

Las primeras autorizadas para su uso en humanos fueron las vacunas contra el COVID-19 para hacer frente al SARS-CoV-2 . [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] Ejemplos de vacunas COVID-19 que utilizan ARNmod incluyen las desarrolladas por la cooperación de BioNTech / Pfizer ( BNT162b2 ) y por Moderna ( ARNm-1273). ). [31] [32] [33] Sin embargo, la vacuna de zorecimeran desarrollada por Curevac utiliza ARN no modificado, [34] en lugar de ello depende de la optimización de codones para minimizar la presencia de uridina. Sin embargo, esta vacuna es menos eficaz. [35] [16]

Otros posibles usos del modRNA incluyen la regeneración del tejido del músculo cardíaco dañado, [36] [37] una herramienta de reemplazo de enzimas [38] y la terapia contra el cáncer. [39] [40]

Referencias

  1. ^ Chien KR, Zangi L, Lui KO (octubre de 2014). "ARNm sintético modificado químicamente (modRNA): hacia una nueva plataforma tecnológica para la biología y la medicina cardiovascular". Perspectivas de Cold Spring Harbor en medicina . 5 (1): a014035. doi : 10.1101/cshperspect.a014035. PMC  4292072 . PMID  25301935.
  2. ^ Alberts B, Johnson A, Lewis J, Raff M, Roberts K, Walter P (2002). Del ADN al ARN (4 ed.). Ciencia de la guirnalda.
  3. ^ Pardi N, Weissman D (2017). "Vacunas de ARNm modificado con nucleósidos para enfermedades infecciosas". Vacunas de ARN . Métodos en biología molecular. vol. 1499. Clifton, Nueva Jersey, págs. 109-121. doi :10.1007/978-1-4939-6481-9_6. ISBN 978-1-4939-6479-6. PMID  27987145.{{cite book}}: Mantenimiento CS1: falta el editor de la ubicación ( enlace )
  4. ^ Lodish H, Berk A, Zipursky SL, Matsudaira P, Baltimore D, Darnell J (2000). Las tres funciones del ARN en la síntesis de proteínas (4ª ed.). Nueva York: WH Freeman. págs. Sec 4.4.
  5. ^ abc Schlake T, Thess A, Fotin-Mleczek M, Kallen KJ (noviembre de 2012). "Desarrollo de tecnologías de vacunas de ARNm". Biología del ARN . 9 (11): 1319-1330. doi :10.4161/rna.22269. PMC 3597572 . PMID  23064118. 
  6. ^ Dalpke A, Helm M (junio de 2012). "Estimulación del receptor tipo Toll mediada por ARN en la salud y la enfermedad". Biología del ARN . 9 (6): 828–842. doi :10.4161/rna.20206. PMC 3495747 . PMID  22617878. 
  7. ^ Karikó K, Buckstein M, Ni H, Weissman D (agosto de 2005). "Supresión del reconocimiento del ARN por receptores tipo Toll: el impacto de la modificación de nucleósidos y el origen evolutivo del ARN". Inmunidad . 23 (2): 165-175. doi : 10.1016/j.immuni.2005.06.008 . PMID  16111635.
  8. ^ Andries O, Mc Cafferty S, De Smedt SC, Weiss R, Sanders NN, Kitada T (noviembre de 2015). "El ARNm incorporado con N (1) -metilpseudouridina supera al ARNm incorporado con pseudouridina al proporcionar una expresión de proteínas mejorada y una inmunogenicidad reducida en líneas celulares de mamíferos y ratones". Revista de Liberación Controlada . 217 : 337–344. doi :10.1016/j.jconrel.2015.08.051. hdl : 1854/LU-6993270 . PMID  26342664.
  9. ^ ab Svitkin YV, Cheng YM, Chakraborty T, Presnyak V, John M, Sonenberg N (junio de 2017). "La N1-metil-pseudouridina en el ARNm mejora la traducción a través de mecanismos independientes y dependientes de eIF2α al aumentar la densidad de los ribosomas". Investigación de ácidos nucleicos . 45 (10): 6023–6036. doi :10.1093/nar/gkx135. PMC 5449617 . PMID  28334758. 
  10. ^ Hoernes TP, Clementi N, Faserl K, Glasner H, Breuker K, Lindner H, et al. (Enero de 2016). "Las modificaciones de nucleótidos dentro de los ARN mensajeros bacterianos regulan su traducción y pueden reconfigurar el código genético". Investigación de ácidos nucleicos . 44 (2): 852–862. doi : 10.1093/nar/gkv1182. PMC 4737146 . PMID  26578598. 
  11. ^ Wurm JP, Griese M, Bahr U, Held M, Heckel A, Karas M, et al. (Marzo de 2012). "Identificación de la enzima responsable de la metilación N1 de pseudouridina 54 en ARNt de arqueas". ARN . 18 (3): 412–420. doi :10.1261/rna.028498.111. PMC 3285930 . PMID  22274954. Por el contrario, en la mayoría de las arqueas esta posición está ocupada por otro nucleótido hipermodificado: la pseudouridina isostérica N1-metilada. 
  12. ^ Orlandini von Niessen AG, Poleganov MA, Rechner C, Plaschke A, Kranz LM, Fesser S, et al. (Abril de 2019). "Mejora de la entrega de genes terapéuticos basados ​​en ARNm mediante UTR 3' que aumentan la expresión identificadas mediante el cribado de bibliotecas celulares". Terapia Molecular . 27 (4): 824–836. doi :10.1016/j.ymthe.2018.12.011. PMC 6453560 . PMID  30638957. 
  13. ^ Zhao L, Seth A, Wibowo N, Zhao CX, Mitter N, Yu C, Middelberg AP (enero de 2014). "Vacunas de nanopartículas". Vacuna . 32 (3): 327–337. doi : 10.1016/j.vaccine.2013.11.069 . PMID  24295808.
  14. ^ Carlsson L, Clarke JC, Yen C, Gregoire F, Albery T, Billger M, et al. (junio de 2018). "El ARNm de VEGF-A purificado y biocompatible mejora la función cardíaca después de una inyección intracardíaca 1 semana después del infarto de miocardio en cerdos". Terapia molecular. Métodos y desarrollo clínico . 9 : 330–346. doi :10.1016/j.omtm.2018.04.003. PMC 6054703 . PMID  30038937. 
  15. ^ Karikó K, Buckstein M, Ni H, Weissman D (agosto de 2005). "Supresión del reconocimiento del ARN por receptores tipo Toll: el impacto de la modificación de nucleósidos y el origen evolutivo del ARN". Inmunidad . 23 (2): 165-175. doi : 10.1016/j.immuni.2005.06.008 . PMID  16111635.
  16. ^ ab Dolgin E (septiembre de 2021). "La enredada historia de las vacunas de ARNm". Naturaleza . 597 (7876): 318–324. Código Bib :2021Natur.597..318D. doi :10.1038/d41586-021-02483-w. PMID  34522017. S2CID  237515383.
  17. ^ "El Premio Nobel de Fisiología o Medicina 2023".
  18. ^ Kormann, Michael SD; Hasenpusch, Günther; Aneja, Manish K.; Nica, Gabriela; Flemmer, Andreas W.; Herber-Jonat, Susanne; Huppmann, Marcelina; Mays, Lauren E.; Illenyi, Marta; Schams, Andrea; Griese, Matías; Bittmann, Iris; Handgretinger, Rupert; Hartl, Dominik; Rosenecker, Joseph (febrero de 2011). "Expresión de proteínas terapéuticas después de la administración de ARNm modificado químicamente en ratones". Biotecnología de la Naturaleza . 29 (2): 154-157. doi :10.1038/nbt.1733. ISSN  1546-1696. PMID  21217696. S2CID  205275040.
  19. ^ Pardi N, Hogan MJ, Pelc RS, Muramatsu H, Andersen H, DeMaso CR, et al. (Marzo de 2017). "Protección del virus Zika mediante una única vacuna de ARNm modificado con nucleósidos en dosis baja". Naturaleza . 543 (7644): 248–251. Código Bib :2017Natur.543..248P. doi : 10.1038/naturaleza21428. PMC 5344708 . PMID  28151488. Diseñamos una potente vacuna anti-ZIKV... que contiene el nucleósido modificado 1-metilpseudouridina (m1Ψ) 
  20. ^ Richner JM, Himansu S, Dowd KA, Butler SL, Salazar V, Fox JM, et al. (Marzo de 2017). "Las vacunas de ARNm modificado protegen contra la infección por el virus del Zika". Celúla . 168 (6): 1114–1125.e10. doi :10.1016/j.cell.2017.02.017. PMC 5388441 . PMID  28222903. El ARNm se sintetizó... donde el UTP se sustituyó por 1-metilpseudoUTP 
  21. ^ abc Pardi N, Hogan MJ, Naradikian MS, Parkhouse K, Cain DW, Jones L, et al. (junio de 2018). "Las vacunas de ARNm modificadas con nucleósidos inducen potentes respuestas de las células B del centro germinal y del folículo T auxiliar". La Revista de Medicina Experimental . 215 (6): 1571-1588. doi :10.1084/jem.20171450. PMC 5987916 . PMID  29739835. En este estudio, caracterizamos la inmunogenicidad de tres vacunas que consisten en ARNm-LNP purificados por FPLC y modificados con m1Ψ que codifican la envoltura del VIH-1 (Env), la prM-E del ZIKV y la hemaglutinina (HA) del virus de la influenza. 
  22. ^ Meyer M, Huang E, Yuzhakov O, Ramanathan P, Ciaramella G, Bukreyev A (enero de 2018). "Las vacunas basadas en ARNm modificado provocan respuestas inmunitarias sólidas y protegen a los conejillos de indias de la enfermedad del virus del Ébola". La revista de enfermedades infecciosas . 217 (3): 451–455. doi :10.1093/infdis/jix592. PMC 5853918 . PMID  29281112. Se sintetizaron dos vacunas de ARNm... donde las UTP se sustituyeron por 1-metilpseudo UTP 
  23. ^ Morais P, Adachi H, Yu YT (4 de noviembre de 2021). "La contribución fundamental de la pseudouridina a las vacunas de ARNm COVID-19". Fronteras en biología celular y del desarrollo . 9 : 789427. doi : 10.3389/fcell.2021.789427 . PMC 8600071 . PMID  34805188. 
  24. ^ "Pfizer y BioNTech celebran la histórica primera autorización en EE. UU. de una vacuna para prevenir el COVID-19". www.businesswire.com . 12 de diciembre de 2020.
  25. ^ Polack FP, Thomas SJ, Kitchin N, Absalon J, Gurtman A, Lockhart S, et al. (diciembre de 2020). "Seguridad y eficacia de la vacuna Covid-19 de ARNm BNT162b2". El diario Nueva Inglaterra de medicina . 383 (27): 2603–2615. doi :10.1056/NEJMoa2034577. PMC 7745181 . PMID  33301246. S2CID  228087117. 
  26. ^ Hohmann-Jeddi C (10 de noviembre de 2020). "Hoffnungsträger BNT162b2: ¿Cómo funcionan los componentes del ARNm?". Pharmazeutische Zeitung (en alemán) . Consultado el 28 de noviembre de 2020 .
  27. ^ Abbasi J (septiembre de 2020). "Vacunas COVID-19 y ARNm: primera gran prueba para un nuevo enfoque". JAMA . 324 (12): 1125-1127. doi : 10.1001/jama.2020.16866 . PMID  32880613. S2CID  221476409.
  28. ^ Vogel A, Kanevsky I, Che Y, Swanson K, Muik A, Vormehr M, et al. (8 de septiembre de 2020). "Una vacuna de prefusión de ARN de pico de SARS-CoV-2 es altamente inmunogénica y previene la infección pulmonar en primates no humanos" (PDF) . bioRxiv . doi :10.1101/2020.09.08.280818. S2CID  221589144.
  29. ^ "Condiciones de autorización de la vacuna Pfizer/BioNTech COVID-19" (Decisión). Agencia Reguladora de Medicamentos y Productos Sanitarios. 8 de diciembre de 2020.
  30. ^ Oficina del Comisionado (14 de diciembre de 2020). "Vacuna Pfizer-BioNTech COVID-19". www.fda.gov (Decisión). FDA de EE. UU .
  31. ^ Krammer F (octubre de 2020). "Vacunas contra el SARS-CoV-2 en desarrollo". Naturaleza . 586 (7830): 516–527. Código Bib : 2020Natur.586..516K. doi : 10.1038/s41586-020-2798-3 . PMID  32967006. S2CID  221887746.
  32. ^ "Oleoducto de Moderna". Moderna . Consultado el 28 de noviembre de 2020 .
  33. ^ Dolgin E (noviembre de 2020). "Las vacunas COVID-19 están listas para su lanzamiento, pero el impacto en la pandemia no está claro". Biotecnología de la naturaleza : d41587–020–00022-y. doi :10.1038/d41587-020-00022-y. PMID  33239758. S2CID  227176634.
  34. ^ "Covid-19". CureVac . Consultado el 21 de diciembre de 2020 .
  35. ^ Dolgin E (junio de 2021). "La bajada de la vacuna CureVac COVID destaca los desafíos del diseño del ARNm". Naturaleza . 594 (7864): 483. Bibcode :2021Natur.594..483D. doi : 10.1038/d41586-021-01661-0 . PMID  34145413. S2CID  235480198.
  36. ^ Kaur K, Zangi L (diciembre de 2020). "ARNm modificado como herramienta terapéutica para el corazón". Fármacos y terapia cardiovasculares . 34 (6): 871–880. doi :10.1007/s10557-020-07051-4. PMC 7441140 . PMID  32822006. 
  37. ^ Zangi L, Lui KO, von Gise A, Ma Q, Ebina W, Ptaszek LM y otros. (Octubre 2013). "El ARNm modificado dirige el destino de las células progenitoras del corazón e induce la regeneración vascular después de un infarto de miocardio". Biotecnología de la Naturaleza . 31 (10): 898–907. doi :10.1038/nbt.2682. PMC 4058317 . PMID  24013197. 
  38. ^ Ter Huurne, Menno; Parker, Benjamín L.; Liu, Ning Qing; Qian, Elizabeth Ling; Vivien, Céline; Karavendzas, Kathy; Molinos, Richard J.; Saville, Jennifer T.; Abu-Bonsrah, papá; Sabio, Andrea F.; Hudson, James E.; Talbot, Andrew S.; Finn, Patrick F.; Martini, Paolo GV; Fuller, María (7 de septiembre de 2023). "El tratamiento con ARN modificado con GLA reduce los niveles de GB3 en cardiomiocitos derivados de iPSC de individuos afectados por Fabry". Revista Estadounidense de Genética Humana . 110 (9): 1600-1605. doi :10.1016/j.ajhg.2023.07.013. ISSN  1537-6605. PMC 10502840 . PMID  37607539. 
  39. ^ McNamara MA, Nair SK, Holl EK (2015). "Vacunas basadas en ARN en inmunoterapia contra el cáncer". Revista de investigación en inmunología . 2015 : 794528. doi : 10.1155/2015/794528 . PMC 4668311 . PMID  26665011. 
  40. ^ Verbeke R, Lentacker I, Wayteck L, Breckpot K, Van Bockstal M, Descamps B, et al. (noviembre de 2017). "Coadministración de agonistas de TLR y ARNm modificados con nucleósidos para la inmunoterapia contra el cáncer: restauración de la inmunogenicidad del ARNm inmunosilencioso". Revista de Liberación Controlada . 266 : 287–300. doi :10.1016/j.jconrel.2017.09.041. PMID  28987878. S2CID  20794075.

Otras lecturas

Scholia tiene un perfil para ARN mensajero modificado con nucleósidos (Q103194381).