淺談COVID-19疫苗所應用的生物科學(1/2)

寧想白
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(修改过)
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從生物科技的角度,了解COVID-19疫苗。因為有前人研究為基石,才能夠建築出新時代的科技。
攝影師:Artem Podrez,連結:Pexels

COVID-19疫苗們用何種方式,保存病原體的情資?

目前COVID-19疫苗各家廠商,將COVID-19的機要情資,以不同的方式傳遞。

  • 以DNA為傳遞資訊的腺病毒疫苗: Covishield (印度血清研所;The Serum Institute, SII)、 AZD122 (阿斯特捷利康;AstraZeneca, AZ)、Ad26.COV2.S (美國嬌生集團旗下的楊森製藥; Janssen)
  • 以RNA為媒介的mRNA疫苗: BioNtech (輝瑞;Pfizer) 、mRNA1273 (莫德納;Moderna)
  • 以重組蛋白質手段,來表達COVID-19棘蛋白片段的次單位疫苗: NVX-CoV2373 (諾瓦瓦克斯醫藥;Novavax)
  • 將COVID-19病毒株滅活的不活化疫苗: CoronaVac (科興;Sinovac Biotech )Sinopharm(國藥集團;Sinopharm)
延伸閱讀:Coronavirus disease (COVID-19): Vaccines

用DNA或RNA為訊息傳遞媒介的COVID-19疫苗,要如何將所載情資,轉訊為抗原並參與免疫演習?

不同於次單位及不活化疫苗,直接向體內提供棘蛋白的結構,且不需轉訊,直上演習場訓練;以DNA或RNA為訊息傳遞媒介的COVID-19疫苗,則是需要細胞先做轉訊情資的任務。細胞如何執行轉訊的解密任務呢?

藉由生物萬用解密程序──生物學的中心法則:

DNA(去氧核醣核酸deoxyribonucleic acid)→ mRNA 核醣核酸(ribonucleic acid)→ Protein(蛋白質)

簡述生物學的中心法則之破譯過程:

  • 第一階段DNA→ mRNA

在細胞核內的DNA,通過RNA聚合酶(RNA polymerase) 協助,原物料──核糖糖酸們(A、U、C、G),執行轉錄(transcription),將DNA所載的資訊轉化成RNA。被轉錄出的RNA種類包含mRNA(信使RNA;messenger RNA)tRNA(轉運核糖核酸;transfer RNA)rRNA核糖體RNA(ribosomal RNA)

其三者的腳色為:mRNA序列中,所乘載的資訊可轉訊成蛋白質;tRNA協助mRNA轉訊;rRNA會與核醣體結合,其組合為mRNA轉訊成胜肽時所需的場地。                               

以下,簡述mRNA的在細胞如何執行轉訊前的修飾作業。 轉錄出的初級mRNA會在細胞核內,進行轉錄後修飾,其步驟有三大項。

一,RNA剪接(RNA splicing)
RNA序列的資訊可分為,乘載轉訊情資的外顯子(Exon),以及可能具基因表達調控功能的內含子(intron)。在原則上會選擇性保留外顯子,移除序列中的內含子。但因在RNA剪接過程中,可能會選擇保留不同的外顯子片段,則產生選擇性剪接(alternative splicing)現象,也因此會輸出不同的mRNA異構物(isoform)。
二,在mRNA的五端進行加帽儀式(5’ capping)
三、在mRNA的三端進行多腺苷酸化(3’ poly-adenylation)

初級轉錄mRNA完成轉錄後修飾,會升級為成熟的mRNA。才會藉由細胞核上的小通道,跑出細胞核到細胞質遊蕩。

另註:具有特定功能的RNA,會在細胞質進行折疊或組裝,這些RNA具有二級結構的特性(如:tRNA、rRNA)。
  • 第二階段 mRNA→peptide

已經在細胞質中mRNA,會接洽mRNA轉訊工廠──核糖體(ribosome)。在得到廠方協助後,進行媒合轉訊成胜肽的任務,以及在此招募特定的打工仔與原物料──tRNA與胺基酸(amino acid)組合。

被招募的tRNA,其自身上的反密碼子(anticodon),與mRNA上的密碼子(codon)可相互對應,而此被招募的tRNA上,會有呼應序列的特定胺基酸(amino acid)。因此藉此機制,被招募的tRNA可運送與密碼子所對應的胺基酸(原物料),到此來合成胜肽。

mRNA-tRNA藉核糖體媒合成功後,會將tRNA所帶來的胺基酸,與前一個被媒介且停留在產線上的胺基酸,用藉著肽鍵(peptide bond),將前後的胺基酸串聯。而被串聯的胺基酸們,我們稱之為胜肽(peptide)。這時,在此完成媒合任務後的tRNA,才會打卡下班,離開核糖體。

tRNA下班後,廠方(核糖體)還會再招募符合條件的打工仔(tRNA),重複上述操作。直到遇到mRNA的停止令──終止密碼子(Stop codon)。當mRNA提出提主終止轉訊要求後,核糖體的廠房才會就地解散,mRNA也會離去,再度自在的遊盪於細胞質中;其輸出的產品胜肽,亦會隨著廠房的瓦解而離去,並在細胞中執行下一階的任務。

以上所述在生物學中,稱之為轉譯(translation)──也就是RNA轉訊為胜肽的過程。

  • 第三階段 peptide→ protein

被輸出的胜肽會在特定點(如:細胞質、內質網(Endoplasmic reticulum)等),進行折疊及組裝,完成蛋白質的初始型態。但非一定具有功能性。因為有些蛋白質還需要轉譯後修飾(如:醣基化(Glycosylation)甲基化(methylation)泛素化(ubiquitination));亦有些蛋白質需要酵素催化後,才會具有功能性。蛋白質也會因應本命的腳色的不同,分布在細胞內、錨定在細胞膜上、回歸細胞核或分泌至細胞外。

因此細胞亦會依照生物學的中心法則,將DNA或RNA疫苗所載棘蛋白的序列,在細胞內轉訊棘蛋白。

延伸閱讀:
生命科學概念| DNA與RNA
影片介紹|Types of RNA:mRNA, tRNA, and rRNA function

密碼子與胺基酸對照表|遺傳密碼 (Genetic code)

為什麼各廠商製造COVID-19的疫苗時,大多都視棘蛋白(spike protein)的次單位(subunit)為敵方的重要情資?

COVID-19除了不活化病毒疫苗的系列,給予整顆不具感染力的COVID-19;其他的疫苗們,不管是DNA、RNA,或是次單位疫苗,目前都是選用棘蛋白進行免疫演習。因為棘蛋白是促使COVID-19進入細胞內的重要角色,如同病毒的主要攻城武器!因此,選用棘蛋白為訓練標的,就是要培訓免疫細胞,有效率地瓦解COVID-19敵軍的攻城系統。

我們再進一步的來了解,棘蛋白是通過何種機制,進入細胞之中。

棘蛋白位於COVID-19病毒株的最外層結構,且為三聚體結構的醣蛋白。棘蛋白的結構分區,又可分為S1,及S2,兩單位都與輔助COVID-19進入細胞有關聯。

【A】COVID-19示意圖,外圍棕紅色凸起物為棘蛋白。圖片創作者:Alissa Eckert 、Dan Higgins ;來源: CDC。【B】棘蛋白三聚體組成的示意圖。【C】棘蛋白一個單位的示意圖。其中在棘蛋白次單位的S1,有與ACE2的受器結合位;因此除了不活化疫苗,其他疫苗廠商多以此結合位的結構資訊,發展COVID-19疫苗。在棘蛋白的S2結構中,有被TMPRSS2的切割位。

延伸Q&A
Q:COVID-19利用以上兩種方法,將何種情資輸入至被俘虜的細胞中?

A:COVID-19的正單鏈RNA(positive-sense single-stranded RNA)核衣殼蛋白(nucleocapsid)所形成的複合物──核糖核蛋白(ribonucleoprotein)

COVID-19的正單鏈RNA
COVID-19的RNA也會利用生物學的中心法則,藉由兩種方式命令俘虜的細胞,生產更多COVID-19。

  • 方式一:
    病毒的正單鏈RNA,會直接命令被俘虜的細胞提供核糖體,直接將自身的RNA所載資訊轉譯為蛋白質。所合成的病毒蛋白質,會在細胞質協助製造更多COVID-19;或組裝成COVID-19運送到細胞膜外,感染更多細胞,並勒令其作為病毒製造廠。
  • 方式二:
    藉由病毒RNA所製造的蛋白──RNA依賴性RNA聚合酶(RNA-dependent RNA polymerase,RdRp),將病毒所植入細胞中,少量正單鏈RNA,先轉成負鏈RNA。所新生的負鏈RNA為模板,再藉由RdRp大量合成病毒的正鏈RNA,增量其在細胞中的基數,以利細胞產生COVID-19的效率。此新合成的正鏈RNA也會透過核糖體,轉譯出更多的COVID-19蛋白,並組裝成新COVID-19,派出細胞外進行大規模的進攻。
*德納西韋(remdesivir)以抑制COVID-19的RdRp,達到抗病毒的功效。

核衣殼蛋白(nucleocapsid)
核衣殼蛋白會與病毒的RNA纏繞,以穩定RNA結構。且病毒在進行轉訊或複製RNA時,其與纏繞RNA的鬆緊度,會影響任務進行的效率(纏的越緊,效率越低;反之亦然)。此外,核衣殼蛋白還有另一項功能,藉由與病毒的膜蛋白互動,參與新合成病毒的組裝任務。

Q:為何RNA病毒的突變會較高?

A:因為所參與病毒RNA複製的RdRp,沒有校正(proofreading)功能,導致新合成的RNA容錯率較高。因此,能產生多元突變的病毒RNA序列。若錯誤率不高,且主架構在可生成COVID-19的框架下,此突變RNA序列也會進行轉訊,並合成突變COVID-19。但此機制不一定都能轉訊出高致病且感染性的病毒,病毒突變後的致病性與傳染力是天擇。

延伸閱讀
COVID-19與其棘蛋白的相關報導及研究|New coronavirus variant: what is the spike protein and why are mutations on it important?
台灣衛生福利部疾病管制署科普的影片|COVID-19 (武漢肺炎) 之病毒學解析
為何RNA病毒的突變會較高?|
Why are RNA virus mutation rates so damn high?

The coronavirus is mutating—but what determines how quickly?

Structure of replicating SARS-CoV-2 polymerase
德納西韋與COVID-19的相關研究|
Mechanism of SARS-CoV-2 polymerase stalling by remdesivir
Structural basis for inhibition of the RNA-dependent RNA polymerase from SARS-CoV-2 by remdesivir
從COVID-19候選疫苗中,以結構分析全長的COVID-19棘蛋白結構|Structural analysis of full-length SARS-CoV-2 spike protein from an advanced vaccine candidate
棘蛋白與ACE2相關研究|
Angiotensin-converting enzyme 2 is a functional receptor for the SARS coronavirus

Characterization of spike glycoprotein of SARS-CoV-2 on virus entry and its immune cross-reactivity with SARS-CoV
棘蛋白與TMPRSS22相關研究|TMPRSS2 and TMPRSS4 promote SARS-CoV-2 infection of human small intestinal enterocytes.
以COVID-19棘蛋白的結構,分析其潛在的抗COVID-19藥物|Structural and functional properties of SARS-CoV-2 spike protein: potential antivirus drug development for COVID-19
棘蛋白-ACE2/ TMPRSS22相關藥物開發的報導與研究|
What is the ACE2 receptor, how is it connected to coronavirus and why might it be key to treating COVID-19? The experts explain

SARS-CoV-2 S protein:ACE2 interaction reveals novel allosteric targets
SARS-CoV-2 Cell Entry Depends on ACE2 and TMPRSS2 and Is Blocked by a Clinically Proven Protease Inhibitor
棘蛋白-ACE2受體影響血管內皮細胞的相關報導與研究|
The novel coronavirus’ spike protein plays additional key role in illness
SARS-cov-2 Spike Protein Impairs Endothelial Function via Downregulation of ACE 2
目前並無直接證據顯示,棘蛋白與CD147有直接性的結合|
No evidence for basigin/CD147 as a direct SARS-CoV-2 spike binding receptor
CC BY-NC-ND 2.0 授权

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寧想白不具他性的存在 /《爾思出版》共同創辦人 ∎ Email: mr.ning.xiangbai@gmail.com ∎ Facebook: @xiangbaining ∎ Instagram: @xiangbai_ning
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