// SCINEXX — SPAZIO & SCIENZA
„Buchstabentausch“ verhindert Lesefehler bei mRNA-Impfstoffen
Bei der Herstellung von Proteinen aus Impfstoff-mRNA können an bestimmten Stellen Lesefehler entstehen. Forscher haben nun aufgeklärt, warum ein häufig verwendeter modifizierter RNA-Baustein solche Fehler begünstigt und wie sich die betroffenen Sequenzen verändern lassen. Die Experimente zeigen einen Ansatz, mit dem künftige mRNA-Impfstoffe und -Medikamente präziser gestaltet werden könnten.
Göttingen (Deutschland). mRNA-Impfstoffe liefern den Körperzellen eine Bauanleitung für ein bestimmtes Protein, das anschließend eine Immunantwort auslösen soll. Die zellulären Proteinfabriken, die Ribosomen, lesen dafür die Boten-RNA (mRNA) in Dreiergruppen von RNA-Bausteinen ab. Jede dieser Gruppen, Codon genannt, steht für einen Baustein des herzustellenden Proteins.
Bei vielen dieser Impfstoffe wird der RNA-Baustein Uridin durch N¹-Methylpseudouridin ersetzt. Diese chemische Veränderung reduziert die unerwünschte Aktivierung der angeborenen Immunabwehr und verbessert die Proteinproduktion. Wie schon die Entwicklung der modifizierten mRNA-Technologie zeigte, hat die Veränderung erhebliche Vorteile. Sie kann aber auch bewirken, dass Ribosomen das Leseraster an bestimmten Stellen um einen RNA-Buchstaben verschieben.
Forscher des Max-Planck-Instituts für Multidisziplinäre Naturwissenschaften (MPI-NAT) um Dr. Panagiotis Poulis haben untersucht, wodurch dieses sogenannte Frameshifting ausgelöst wird. Zudem wollten sie wissen, ob sich der Fehler durch eine andere Anordnung der RNA-Bausteine verhindern lässt, ohne die Bauanleitung für das gewünschte Protein zu verändern.
Dafür nutzte das Team künstliche mRNA-Testsysteme, deren Sequenzen an die COVID-19-Impfstoffe von BioNTech und Moderna angelehnt waren. In menschlichen Zellkulturen machten zwei verschiedene Fluoreszenzsignale sichtbar, ob die Ribosomen im vorgesehenen Leseraster blieben oder um einen Buchstaben nach vorne rutschten. Zusätzlich untersuchten die Wissenschaftler die beteiligten molekularen Schritte in einem aus Einzelkomponenten aufgebauten Translationssystem.
Besonders auffällig war die Buchstabenfolge UUUC. Enthielt die RNA an den entsprechenden Stellen N¹-Methylpseudouridin, kam es dort häufiger zu einer Verschiebung um ein Nukleotid, einem sogenannten +1-Frameshift. Sobald das Ribosom in diesem neuen Raster weiterliest, kann ein Protein mit einer anderen Aminosäurefolge entstehen. Andere untersuchte Sequenzen waren deutlich weniger anfällig.
„Maßgeblich ist, dass ein Frameshift nur bei bestimmten mRNA-Sequenzen auftritt – und diese lassen sich vermeiden“, sagt Dr. Panagiotis Poulis.
Mit Einzelmolekül-Fluoreszenzmessungen verfolgten die Forscher, wie sich die Transfer-RNA (tRNA) im Ribosom bewegt. Diese Moleküle erkennen die Codons und liefern die passenden Aminosäuren. Die Experimente deuten darauf hin, dass der modifizierte RNA-Baustein die Bindung zwischen Codon und tRNA schwächt, während das Ribosom auf die nächste tRNA wartet. Dadurch wird ein Verrutschen wahrscheinlicher.
Entscheidend ist nach den Ergebnissen nicht allein die chemische Veränderung des RNA-Bausteins, sondern ihre Kombination mit der jeweiligen Buchstabenfolge. Ersetzten die Forscher beispielsweise UUUC durch UUCC, blieb die codierte Aminosäure unverändert, während der beobachtete Leserasterwechsel nahezu verschwand. Auch andere geeignete Codons konnten den Fehler in den getesteten Systemen unterdrücken.
„Unsere Studie liefert einen Regelkatalog für die Entwicklung von mRNA-Impfstoffen und -Medikamenten“, sagt Dr. Panagiotis Poulis.