【生物化学笔记：药品药物】Moderna的《mRNAs as Medicines》课程第一章：蛋白质结构+mRNA结构+中心法则

mRNA作为药物：课程介绍与知识总结

课程概述

• Moderna的《mRNAs as Medicines》课程共三章，面向所有人，无论您当前的科学知识水平如何。课程旨在为您提供对mRNA药物的全面理解，包括其工作原理及其潜在应用，视频地址。

课程结构

课程分为三个模块，每个模块都建立在前一个模块的知识基础上：

1. 蛋白质和mRNA导论
2. 了解药物
3. mRNA药物的应用

学习目标

• 发现蛋白质在人体中扮演的惊人多样的角色，并认识到其重要性。
• 学习mRNA和蛋白质合成的基础知识，理解mRNA如何指导细胞产生蛋白质。
• 了解不同类型的药物，并深入探讨mRNA药物从概念到实际应用的工作机制。
• 通过案例研究学习mRNA药物在疫苗、癌症治疗和遗传病疗法中的应用。
• 讨论mRNA技术未来的开发和潜在创新。

特殊功能

• 在课程导航过程中，您会注意到书本图标不时出现。这表示存在词汇表术语。如果术语出现在屏幕文本中，它将被高亮显示；如果在动画期间提到术语，图标和词汇表术语将短暂出现在屏幕右下角。
• 这些术语的定义可以在《mRNA作为药物》词汇表文件中找到，请确保在进行模块学习时打开此文件。

第一模块： mRNA药物中的蛋白质：重要性与功能

• 因为mRNA药物的核心机制正是通过指导人体自身制造以蛋白质形式存在的“药物”。

蛋白质不仅仅是营养成分

• 蛋白质约占人体总重量的六分之一。
• 不仅人类依赖蛋白质，地球上所有生命形式都离不开它：
  • 最小的病毒
  • 单细胞生物（如细菌、酵母）
  • 复杂多细胞生物（包括植物、动物以及人类）

从“城市”视角看人体结构

我们可以把人体比作一座大型城市：

层级	类比
宏观视角	城市整体外观统一
中观视角	实际由无数形状各异、功能不同的建筑组成

同理，当我们“放大”观察人体时，也能看到类似的层级结构：

1. 器官与组织层
   • 如肝脏、大脑等器官构成身体系统。
2. 细胞层
   • 每个组织由数百万至数十亿个细胞组成。
   • 平均一个人类细胞的宽度仅为一根头发丝的十分之一。
3. 细胞器层
   • 细胞内含有各种细胞器，如：
     • 细胞核：包含染色体（遗传信息载体）
     • 线粒体：细胞的能量工厂
4. 分子层
   • 这些细胞器本身由成千上万的蛋白质分子构成。
   • 典型的人类蛋白质宽度约为10纳米，极其微小。
   • 数十亿个蛋白质分子可容纳在一个细胞内部。

蛋白质的多样性与功能性

高度多样性和功能性，使得蛋白质成为生命活动的核心执行者。

• 蛋白质的功能分类（类比建筑物用途）

功能类型	示例	作用
结构支持	胶原蛋白（Collagen）	使皮肤坚韧而有弹性
	肌动蛋白（Actin）与肌球蛋白（Myosin）	构成肌肉纤维，实现运动能力
运输载体	血红蛋白（Hemoglobin）	在血液中运输氧气
免疫防御	抗体（Antibodies）	识别并中和病原体，抵御疾病
修复机制	凝血因子（Clotting factors）	封闭伤口，防止失血
调控基因表达

• 一个健康的成年人需要超过100,000种不同类型的蛋白质协同工作。这些蛋白质全部由人体自身合成。不同类型的细胞生产不同的蛋白质组合：

细胞类型	特定蛋白质	功能
视网膜中的视杆/视锥细胞	视紫红质（Rhodopsins）	捕获光信号并转化为电信号
大脑神经元	离子通道蛋白、受体蛋白等	快速解读电信号，实现视觉感知

• 下图展示了人体代谢图谱，其中包含数百种正在进行的化学反应，这些反应共同维持生命活动：
  • 每一项化学反应都由一种特定的酶蛋白催化（图中以蓝色标注的名称为代表）。
  • 这些蛋白质不仅是“建筑材料”，更是生命运转的引擎。

蛋白质合成的精密调控与mRNA疗法的意义

• 构建和维持一个人体涉及数以万计的分子组件，如同复杂的建筑工程一样，蛋白质的合成必须高度协调：

  • 空间精确性：蛋白质需在正确的细胞或细胞器中生成
  • 时间精确性：在需要时及时表达
  • 数量控制：避免过多或过少

🔧 这一过程依赖于基因表达调控网络，堪称生物学中的“精密算法”。

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一、系统复杂性带来的风险：先天性代谢疾病

由于系统极为复杂，偶尔会出现“程序错误”——即遗传或突变导致的关键蛋白质功能缺失。

• 据估计：每约1,000名新生儿中就有1人天生缺乏某种功能性蛋白质。
• 这些缺陷会导致终身健康问题，相当于生命“算法”中的永久性故障。

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二、案例研究：冯格尔克病（Vungerky Disease）

葡萄糖-6-磷酸酶缺乏症（Glycogen Storage Disease Type I / von Gierke病）

疾病机制：

• 患儿无法产生有功能的葡萄糖-6-磷酸酶（Glucose-6-phosphatase）
• 该蛋白的作用：帮助肝脏释放储存的糖分，维持空腹状态下的血糖水平

临床表现：

• 不能禁食，否则会迅速陷入低血糖
• 必须持续摄入碳水化合物
• 夜间需每几小时醒来食用生玉米淀粉以缓慢释放葡萄糖

对家庭的影响：

• 父母精神与体力负担极重
• 若错过喂食，患儿可能突发：
  • 低血糖（hypoglycemia）
  • 癫痫发作
  • 甚至死亡

长期并发症（即使严格管理饮食）：

• 青春期延迟
• 免疫力低下，频繁感染
• 肾脏疾病
• 肝癌风险显著升高

三、当前治疗局限 VS mRNA技术的革命性潜力

目前的治疗方法仅能管理症状，无法修复根本缺陷：

• 严格饮食控制
• 定时进食
• 补充药物

💡 如果能恢复患者制造这一种关键蛋白质的能力呢？

这正是mRNA疗法的核心理念：

• 将编码正确蛋白质的mRNA递送入细胞
• 利用细胞自身的核糖体“工厂”生产功能性蛋白
• 从根源上修复“程序错误”

病毒与蛋白质：病毒感染机制及免疫识别

病毒也依赖蛋白质——以SARS-CoV-2为例

• 正如所有生物体一样，病毒也高度依赖蛋白质来完成其生命周期。我们以引起COVID-19的病毒 SARS-CoV-2 为例：

1. 病毒表面结构

• 刺突蛋白（Spike Protein）：

  • 最著名的病毒蛋白
  • 突出于病毒表面，形如“皇冠”（corona），冠状病毒因此得名
  • 功能：识别并结合人体细胞上的ACE2受体，介导病毒进入细胞

• 其他表面蛋白：

  • 包括膜蛋白（M蛋白）、包膜蛋白（E蛋白）等
  • 嵌入在由脂质（lipids） 构成的病毒包膜中
  • 脂质是构成病毒和细胞膜的重要脂肪类分子

2. 病毒内部结构（横截面视角）

• 外层为脂质包膜和表面蛋白
• 内部核心包含：
  • 更多结构蛋白（如核衣壳蛋白N蛋白）
  • 遗传物质：RNA基因组——即制造新病毒颗粒的“指令集”

病毒感染

• 病毒不是“生命体”,判断是否“活着”的关键标准"能否自主复制"

1. 入侵过程：

   • 病毒附着于宿主细胞（如呼吸道上皮细胞）
   • 将其RNA基因组注入细胞内

2. 欺骗细胞 machinery：

   • 病毒RNA被细胞误认为是自身的mRNA
   • 核糖体开始翻译病毒RNA，生产病毒蛋白

3. 组装与传播：

   • 新合成的病毒蛋白 + 复制的RNA → 组装成新的病毒颗粒
   • 新病毒释放，感染其他细胞或个体

• 尽管病毒利用我们的细胞机制，但人体拥有强大的防御系统：

  • 免疫系统的核心能力：识别“自我”（self）与“非自我”（non-self）
  • 病毒蛋白属于“外来物”，会被免疫系统检测到

蛋白质结构

一、以胰岛素为例：解构蛋白质的组成

• 我们以人胰岛素（human insulin）为例——一种调节血糖水平的关键激素蛋白。
  

1. 三维结构拆解

• 胰岛素由两条多肽链组成：
  • A链：21个氨基酸
  • B链：30个氨基酸
• 总计：51个氨基酸通过特定方式连接并折叠形成功能性结构

2. 基本单位：氨基酸（Amino Acids）

• 所有氨基酸共享一个通用化学骨架（central carbon, amino group, carboxyl group, hydrogen）
• 区别在于连接在骨架上的侧链（side chain）
• 自然界中存在20种标准氨基酸，每种具有独特的侧链性质（如极性、电荷、大小）

🔬 示例：

• 甘氨酸（Glycine）：最简单的侧链（H）
• 色氨酸（Tryptophan）：复杂芳香环结构

二、氨基酸连接形成多肽链

• 氨基酸通过肽键（peptide bond）相连
• 连接方式类似于“串珠子”：
  • 一个氨基酸的羧基与下一个氨基酸的氨基脱水缩合
• 形成的长链称为多肽链（polypeptide）

📌 定义：

• 单体（Monomer）：构成聚合物的基本单元 → 氨基酸
• 聚合物（Polymer）：由多个单体组成的长链 → 多肽链

三、氨基酸是蛋白质的“分子积木”

• 类比：就像“pop beads”（串珠）中的每一颗小珠子是一个单体（monomer）
• 在蛋白质中，每个氨基酸就是一个单体
• 氨基酸通过化学反应形成肽键（peptide bond），牢固连接在一起
• 多个氨基酸串联形成的长链称为多肽链（polypeptide）

关键点：肽键非常稳定，确保了蛋白质骨架的完整性。

因素	说明
氨基酸性质	不同侧链性质（极性、电荷、疏水性等）影响折叠
排列顺序	序列决定了多肽链如何折叠成特定三维形状
最终结构？	正确的三维构象是蛋白质发挥功能的前提

蛋白质	氨基酸数量	特点
胰岛素（Insulin）	51个	小型激素蛋白，调节血糖
中位数大小的人类蛋白	375个	典型长度
血清白蛋白（Serum Albumin）	585个	血浆中最丰富的蛋白
肌联蛋白（Titin）	高达35,000个	已知最大人类蛋白，肌肉弹性关键成分

🏋️‍♂️ Titin（肌联蛋白）：

• 是肌肉纤维的重要组成部分
• 分子量巨大，编码其mRNA也是目前已知最长的mRNA之一

四、自组装奇迹：多蛋白复合体的形成

• 大多数大型多蛋白复合体具有自组装能力
• 只要所有组成蛋白到位，它们能自动识别并正确结合
• 最著名的例子：血红蛋白（Hemoglobin）

血红蛋白结构详解：

• 包含四条多肽链：
  • 2条 α-珠蛋白链（alpha-globin）
  • 2条 β-珠蛋白链（beta-globin）
• 每条链都结合一个血红素（heme）基团
• 每个血红素可结合一个氧分子 → 总共可携带4个O₂

五：蛋白质世界的层级结构

氨基酸（20种）
   ↓ 肽键连接
多肽链（一级结构）
   ↓ 自发折叠
三维结构（二级/三级结构）
   ↘
     多条链组装
       ↓
多蛋白复合体（四级结构）
   ↓
执行复杂生命功能

mRNA的结构

• 注：除mRNA（信使RNA）还有 tRNA（转移RNA）、 rRNA、 snRNA（小核RNA）等类型RNA

思考：细胞如何知道该制造哪些蛋白质？

• 类比：建筑蓝图 → 蛋白质蓝图

类比对象	对应关系
建筑项目	细胞制造蛋白质
建筑蓝图（Blueprints）	信使RNA（messenger RNA, mRNA）
工人和机械	核糖体等翻译 machinery
最终建筑	功能性蛋白质

一、不同细胞为何制造不同蛋白质？

• 所有人体细胞拥有相同的基因组DNA
• 但不同细胞类型只读取部分基因
• 例如：
  • 肝细胞：表达大量代谢酶相关mRNA
  • 肌肉细胞：高表达肌动蛋白、肌球蛋白mRNA
  • 胰岛β细胞：生产胰岛素mRNA

关键机制：基因表达调控决定了哪种mRNA被转录，从而决定蛋白质组成。

二、mRNA的结构特性

• 尽管mRNA是线性核酸分子（单链），但它并非完全伸展的单链，而是可以折叠成复杂三维结构：

1. 结构形成原理

• mRNA链上的碱基（A、U、C、G）可通过碱基配对（如A-U、C-G）相互作用
• 导致局部形成双链区（stem）
• 双链区与单链区（loop）交替出现
• 整体形成“松软”的三维构象（floppy 3D structures）

2. 观测技术：原子力显微镜（AFM）

• 原理简述：
  • 使用一个极细的探针在样品表面缓慢移动
  • 探针感受到表面高低起伏的力量变化
  • 将这些力信号通过激光转化为图像
• 优势：
  • 可在接近生理条件下直接观察mRNA的天然折叠形态
  • 分辨率可达纳米级别

💡 AFM图像显示：mRNA分子像“团状”或“树枝状”结构，而非简单的直线。

• 实验示例：

  • 图像显示了三个相同的 883个核苷酸长的mRNA分子，编码绿色荧光蛋白（GFP）——一种使水母在紫外线下发光的蛋白质。
    

• 关键发现：

  • 尽管这些mRNA具有完全相同的核苷酸序列（A、C、G、U），但每个分子折叠方式不同。
  • 表明mRNA是柔性、动态的结构，而非刚性直线。

中心法则

DNA（基因） 
   ↓ 转录（在细胞核）
pre-mRNA → 加工 → 成熟mRNA 
   ↓ 出核 → 细胞质
   → 被核糖体翻译 
      ↓
多肽链 → 折叠 → 功能蛋白

💡 延伸：
mRNA疫苗（如新冠疫苗）正是利用这一机制——将人工设计的mRNA导入人体细胞，让细胞“误以为”这是自身蓝图，进而生产病毒抗原蛋白，激发免疫反应。这完全依赖于我们对mRNA结构与功能的深刻理解。

一、从mRNA到蛋白质：生物学中的“翻译”过程

• 执行者：核糖体（Ribosome）
  • 被称为细胞内的“蛋白质工厂”
  • 是一种微小的分子机器，能够读取mRNA并输出新生蛋白质链

实际上，每个细胞中有成千上万个核糖体同时工作于大量mRNA之上。

二、遗传密码的基本单位：密码子（Codon）

• mRNA的信息以三联体密码子形式组织：
  • 每三个连续的核苷酸组成一个“词”，称为密码子
  • 总共可形成 4³ = 64种不同的密码子

功能分类	密码子类型	数量	作用
编码氨基酸	意义密码子	61个	对应20种氨基酸
终止信号	终止密码子	3个	标志翻译结束
起始信号	起始密码子	1个（AUG）	启动翻译，也编码甲硫氨酸

• 密码子表
  

示例	密码子	对应氨基酸	说明
色氨酸（Tryptophan, Trp）	UGG	唯一编码该氨基酸的密码子
缬氨酸（Valine, Val）	GUU, GUC, GUA, GUG	多个同义密码子
甲硫氨酸（Methionine, Met）	AUG	起始密码子 + 编码Met
终止信号	UAA, UGA, UAG	不编码任何氨基酸	相当于“句号”

同义密码子的存在：

• 多个不同密码子可编码同一种氨基酸（如Val有4种密码子）
• 这使得不同的mRNA序列可以编码相同的蛋白质
• 在mRNA疫苗设计中可用于优化稳定性和表达效率

三、核糖体如何找到起点？

1. 小亚基结合mRNA：

   • 核糖体的小亚基（small subunit）首先与mRNA结合。

2. 扫描寻找起始信号：

   • 小亚基沿mRNA滑动，直到遇到第一个AUG密码子。

3. 启动翻译：

   • 一旦识别AUG，小亚基暂停，并招募大亚基（large subunit），形成完整核糖体。
   • 翻译正式开始。

AUG是“起始按钮”：它既是起始信号，也编码第一个氨基酸——甲硫氨酸。

四、何时停止？

• 当核糖体遇到以下任一终止密码子时：
  • UAA
  • UGA
  • UAG

这些密码子不被任何tRNA识别，而是由释放因子（release factors）识别，触发新合成蛋白的释放和核糖体解体。

因素	说明
核糖体加载速率	新核糖体结合到mRNA的速度越快，翻译效率越高
核糖体移动速度	沿mRNA行进的速度影响单位时间内的蛋白合成量
mRNA稳定性（半衰期）	mRNA在降解前存在的时间越长，可支持更多轮翻译

💡 在mRNA疫苗设计中，通过优化序列和添加稳定结构（如5’帽、poly-A尾），可显著延长mRNA寿命，提高抗原表达水平。

五、mRNA从何而来？——转录与中心法则

• 并非所有基因都在所有细胞中表达，当细胞需要制造某种特定蛋白质时，会启动转录过程：

1. 定义：

   转录（Transcription）：以DNA的一段基因为模板，合成对应的RNA分子的过程。

2. 执行者：

   • RNA聚合酶（RNA Polymerase）
     • 一种酶，负责读取DNA模板并合成RNA链
     • 沿DNA移动，按碱基互补配对原则添加核苷酸（A-U, T-A, C-G, G-C）
       

3. 产物：

   • 初始转录产物为前体RNA（pre-mRNA）
   • 经过剪接、加帽、加尾等成熟步骤后，形成成熟mRNA

4. 运输：

   • 成熟mRNA从细胞核通过核孔进入细胞质
   • 这是一次性单向运输：mRNA不能返回细胞核