新冠mRNA疫苗：背后的英雄和他们的故事

宾大医学院教授

Katalin Kariko

和

Drew Weissman

。

美国辉瑞

mRNA

疫苗最近的好消息，让我们把注意力都集中在土耳其裔德国夫妇所创办的小生物技术公司

BioNtech

，以及他们对新冠

mRNA

疫苗的贡献，他们无论从金钱和荣誉上都得到了丰厚的回报。

BioNtech

总裁

Ugur Sahin

的野心很足，他要将在自己创办的德国公司变成类似美国

Amgen

或

Genentech

这样的生物科技公司。他还有很长的路需要走，因为德国缺乏美国这种鼓励创新的土壤。

实施这些

mRNA

疫苗是科学的应用阶段，新冠疫苗将

mRNA

治疗提前了好多年，

BioNtech

以前的

mRNA

技术是为了癌症治疗的，做新冠几乎他们连夜的转向。他们长久的课题是通过生物信息学的努力找到与

MHC

结合的癌细胞抗原，然后通过

mRNA

去合成这些抗原，注入到机体希望产生抗癌免疫力，也就是所谓肿瘤疫苗的概念。

但是无论是癌症

mRNA

的治疗也好，还是

mRNA

新冠疫苗也罢，它们都是需要很原始的科学创新才能推动的，而这些基础原创性科学来源于美国常春藤盟校之一的宾大医学院的

Katalin Karikó

和

Drew Weissman

，一个匈牙利裔科学家和一个美国犹太医生的工作。我们可以毫不夸张地说，他们奠定了

mRNA

疫苗的科学基础，没有他们的贡献就没有

BioNtech

和

Moderna

的

mRNA

疫苗。我在以前博文中只提过一句这些背景就被读者问及，今天过节在家可以花点时间多聊聊。

mRNA

应用到大鼠里在

1990

年就在威斯康辛大学通过实验完成，而应用到体内表达蛋白质则可追溯到

1992

年，但是

mRNA

遭遇免疫排斥的挑战始终困扰着科学家。

我们可以追查到他们在

2005

年的革命性的

Immunity

论文，当时

岁的

Katalin Kariko

作为第一作者，

Weissman

为资深作者。为了便于大家阅读理解，我特别对有意义的部分标出了红线。为避免机体的免疫排斥反应，他们在转录过程中加入碱基甲基化或其他修饰后的核苷酸，然后测试发现

mRNA

的免疫原性消失了，这些稍微修饰的

mRNA

不能刺激机体产生细胞因子和活化树突状细胞。这是人类第一次实现了注射

mRNA

不刺激免疫反应而遭遇排斥的后果，这是所有

mRNA

治疗和

mRNA

疫苗的起点。

她们做这个实验的前提是，如果

DNA

含有没有甲基化的碱基能够刺激机体的

TLR9

受体产生免疫反应，但是如果

DNA

被甲基化了它就不能刺激机体产生抗体。众多科学家包括我涉及的工作在内，认为

TLR9

的缺陷与自身免疫性疾病相关。她们也知道双链和单链

RNA

分别能活化

TLR3

和

TLR7

，以此自然想到将

mRNA

人为地甲基化能够防止它们被免疫系统排斥掉。这里又出现了进化压力在人体免疫中的效应，因为人体自身

RNA

的甲基化程度比细菌的

RNA

要高十倍，这样

TLR

便有效地拥有二个生物学功能：有效地帮助免疫系统识别那些低甲基化的细菌，对自己身体内的高甲基化的

RNA

则无反应，这样可以避免自身免疫性疾病的产生。

Katalin Kariko

在

岁才从匈牙利到美国寻求职业的机会，带着幼年的女儿，也像我们当年那样只有几百块钱来美国打天下。这女儿后来也读了宾大，参加宾大的皮滑艇队，并且代表美国得过北京和伦敦奥运会的两枚金牌。

Kariko

在美国的首站是费城的

Temple

大学，后来转到了宾大。当时她在宾大的教授职位不能提升，因为拿不到资助，老公在匈牙利的签证也成问题，自己好像还有癌症问题。她完全拿不到资助，这种情况在美国名牌大学所面临的只有两个命运，要么离开，要么降职，她选择了后者。她很幸运的是找到与犹太医生

Drew Weissman

合作的机会，医生科学家往往比较容易弄到研究经费，但是对她的课题感兴趣。

他们后面还有系列文章研究这些修佈的

mRNA

在体内的命运，发现它们不能刺激机体产生细胞因子等免疫反应外，这些

mRNA

在进入机体后仍然保留合成蛋白质的功能。当然后面也有人应用

HPLC

等别的方法以避免

mRNA

的免疫反应。

Moderna

公司的创办人哈佛教授

Derrick Rossi

称

Katalin Kariko

和

Drew Weissman

应该分享诺贝尔奖，

Rossi

被这个工作激动的最重要的原因是他应用修佈后的

RNA

能够使体细胞重新编程为干细胞，这也是他和

Tim Springer

，

Ken Chien

和

Robert Langer

共同创办

Moderna

的原始动机。虽然

Rossi

最后被排挤出了

Moderna

，这故事有点复杂，我们这里从略，乔布什也有被苹果踢出去的经历。虽然

Katalin Kariko

现在是德国

BioNtech

的

SVP

，但是别忘了这玩意是在美国发明的，她在宾大的

年时光还为女儿收获两枚奥运会金牌创造了条件。

免疫系统有

DNA

和

RNA

的识别感应器，授予过诺贝尔奖的

TLR

为其中之一，

Kariko

和

Weissman

在文中正是应用的

TLR

识别对外源性

mRNA

的功能。

Toll-like receptors (TLRs)

作为受体能识别机体的构建砖块，像核酸片段和小脂质成份，从这些小砖块进而识別谁是外源或内源的，为免疫系统预警或诱发免疫反应。这个学术上叫

pattern-recognizing receptors,

为耶鲁教授

CharlieJaneway

从脑袋里想出来的，后来他们共同发现了

TLRs

。生物医学不像物理学那样存在理论生物学，如果有的话，

Charlie Janeway

就是罕见的一位。生物医学的任何事情都必须有牢固可靠的证据，但是

Janeway

在

1989

年的冷泉港评述论文中，硬是假设出了免疫系统拥有识别内外源

Patterns

的蛋白，像

Paul Ehrlich

创立抗体侧链学说那般，堪称天才。

Janeway

为哈佛毕业生，出身于医学世家。他当时从

NIH

完成受训后专选耶鲁去做教授，因为他觉得那里的免疫学薄弱，现在耶鲁与哈佛和圣路易斯华大列为美国最厉害的三大免疫学重镇。十分可惜的是，

Charlie Janeway

在

岁事业的黄金时段英年早逝。

这里简单谈谈为什么耶鲁大牌免疫学教授

Ruslan Metzhitov

与

TLR

的诺贝尔奖无缘？为什么诺贝尔奖公布后引来耶鲁众多世界级别的免疫学家联合署名在

Nature

发表文章抗议？

与

TLR

相关的现象是在与德国交界的法国

Strasbourg

发现的，

Jules Hoffmann

实验室。虽然后来那篇

1996

年的

Cell

论文的第一作者出来公开翻脸，称

Hoffman

仅是实验室的老板，他其实没有太多的贡献。他们发现果蝇中的有些

Toll

突变型特别容易被细菌和真菌感染，所以他们推测

Toll

可能与固有的免疫防御功能有关。

Toll

这个专业单词来自一位德国女性诺贝尔奖胚胎学家，为德文里惊叹的意思。

Ruslan Metzhitov

来自前苏联加盟共和国乌兹别克，他在莫斯科读博士时就受到了

Janeway

文章的鼓舞。当时他在莫斯科大学的所在系每月的预算只有

$20

美元。在

1990

年，

Ruslan

仍然使用

400

位教职员工和学生共享的电邮系统与

Janeway

通讯，为了节约经费，每人只能写

300

个字。

Ruslan Metzhitov

面对的挑战远胜过我们当时的中国，当时只有苏联国家自然科学院有原版的

Nature

和

Science,

每期传阅后回图书馆都被磨损得厉害。他们还不让普通人员随便进入外文图书馆，

Ruslan

只有靠嘴甜才能混进去。当时他为了复印

Janeway

的文章，耗去他每月二美元生活费用的一半，这就是我通常说的对科学的

Passion

。

Janeway

跟太太说：

“

有位十分聪明的俄罗斯人想入我的实验室

”

，他太太开始完全不相信这种可能性的存在。

Ruslan

最终抵达美国，他在

UCSD

短暂停留后前往耶鲁。受

Janeway

假设的鼓舞，

Metzhitov

和

Janeway

在

1997

年在

Nature

上发现了首个

Toll-like receptor-TLR4,

他们后续还克隆了好几种

TLRs

。

Janeway

去世后，

Metzhitov

是世界范围内在

TLR

领域贡献最大的科学家。

西南医学中心的

Bruce Beutler

在

1998

年的

Science

文章中发现，

TLR4

就是我们熟知的革兰氏阴性细菌的细胞壁上存在的内毒素（

LPS

）的受体。他们在动物实验中非常漂亮地证明，

TLR4

缺陷的老鼠能够扺抗大剂量

LPS

诱导的休克。

LPS

为一种脂多糖，因为它是强大的免疫刺激剂而让做生物药物的人经常头痛。

在

TLR

诺贝尔奖颁发的

2011

年

,Ruslan Metzhitov

早己不是博后，而是

HHMI

研究员和耶鲁教授，誉满全球的免疫学家。当然

Ruslan

与

Janeway

发现系列

TLRs

时还只是博后，这里可看我以前提出的导师与学生分享诺贝尔奖的三项原则之一：应该是只有自己研究组的原创，没有来自外校的竞争。这里

Ruslan Metzhitov

的气愤可想而知，他曾经在一个报告会议上控诉，有人为了荣誉甚至不惜更改

Charlie Janeway

的

Wiki

网页，这是不点名的指控

BruceBeutler

。耶鲁与西南两边基本闹翻了，

TLR4

是耶鲁人发现的，西南人发现它是

LPS

的受体，谁重谁轻大家自己看吧。

Ruslan

的妻子是日裔美国院士

Akiko Iwasaki

，现在病毒免疫领域如日中天的人物。前不久北大罗金才教授领导的研究组发表的关于脑淋巴系统与癌症关系的论文，与

Akiko Iwasaki

形成了直接的竞争，相关间重复了各自的结果。

那次诺贝尔奖如果仅授予

TLR

会最公平，让

Jules Hoffmann

，

Ruslan Metzhitov

和

Bruce Beutler

分享，应该皆大欢喜。但是诺贝尔委员会硬要在那年加入发现

的

Ralph Steinman,

这位洛克菲勒教授在颁奖前三天去世了。他的发现也是在博后期间完成的，更老的犹太导师早就去世几十年了。

Steinman

是阿肯森在麻省总院时的总住院生，阿肯森的直接上级医生，他们一起结伴访问过日本，

Steinman

也是神童

Bruce Beutler

的博后导师。

总之，

2011

年的诺贝尔医学奖充满传奇，法国和美国的研究组都出现了指名道姓的发现权之争。诺贝尔奖也开创了授予去世者的先例，他们是否应该为牛顿、伽利略和达尔文补发诺贝尔奖呢？

mRNA

的根基是在美国奠定的，通过纯的科学兴趣所驱动，当然需要匈牙利裔科学家的顽强和乌兹别克裔科学家的智慧。造就这些科学创造的主要原因是因为美国自由的研究环境，这是很多世界大国无法企及的东西。你如果禁固了人们的思想，就别奢望什么科学的创造。美国仍然像一块磁铁石般，吸引着来自世界各个角落的才子佳人。

Katalin Kariko

和

Drew Weissman

的那篇革命性的

Immunity

文章，第一作者是唯一的通讯作者。

顺时针的四位与

mRNA

疫苗相关的科学家：

Katalin Kariko, Derrick Rossi, Ozlem Tureci, and Ugur Sahin

。照片来自波士顿环球报。

Katalin Kariko,

她的丈夫和他们的女儿

Susan Francia

。匈牙利移民代表美国参加奥运会夺取金牌。

Charlie Janeway

和他的第二任妻子免疫学家

Kim Bottomly

，以及年轻时的

Ruslan Metzhitov

。

Charlie

回忆自己因为工作而忽视了第一段婚姻，

KimBottomly

后来离开耶鲁免疫系去卫斯理学院做院长

她和

Janeway

所生的三个女儿全部是

。

Ruslan Metzhitov

和他的日裔太太

Akiko Iwasaki

，他们育有两个女儿。

Metzhitov

来自前苏联的加盟共和国乌兹别克的

Tashkent

，找到日裔妻子多少为他带回一些西亚或中亚的文化。

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