? 在《水滸傳》中，梁山泊的座次和英雄名號被水滸迷們津津樂道，但是為什么要排這個座次可能常被人忽略。有了排序，穩定了軍心，細化了責任。從此，梁山英雄們從占山為王的草寇，轉變為正規化的軍事武裝組織。

?和梁山英雄們的排序一樣，mRNA序列優化的目標也正是提高穩定性和效率。

?為了達成這個目標，科學家們首先將序列優化目標集中在了密碼子上。

?密碼子，我們在上一期中曾經提到過，它是由相鄰的三個核苷酸組成的。在蛋白質合成時，代表了氨基酸的規律。

?然而，能夠編碼氨基酸的密碼子有61個，它們能翻譯出的氨基酸卻只有20個；有的氨基酸可以是由多個不同的密碼子編譯而成的，體現了排列組合的多樣性。

?研究發現，如果將低豐度的稀有密碼子替換為高豐度的常見密碼子，mRNA的穩定性和蛋白表達效率便顯著提高。同時，如果mRNA的密碼子與人體密碼子更匹配，那么將更易于被翻譯，從而提高蛋白的表達水平。

?隨著生物技術的發展，科學家們對序列優化的認識便不再局限于密碼子優化，mRNA二級結構成為序列優化的另一個重要方向。研究發現，mRNA在體內會形成不同的二級結構，二級結構越穩定，mRNA在體內的半衰期越長，其表達出的蛋白量就越多?；谀繕说鞍踪|的高級結構來優化氨基酸序列，使其能夠高效折疊或形成特定構象，這是一種以終為始的高效設計理念。如在新冠mRNA疫苗中廣泛使用的S-2p Furin酶切位點設計，精巧地利用2個脯氨酸突變就達到了穩定S蛋白融合前構象的效果，使其誘導的中和抗體水平更高、免疫原性更強。

?然而，這種設計理念并不是每一次都能針對性地找到實踐解決方案，原因在于序列設計對算法的要求極高。在AI時代，需要借助計算機軟件設計對二級結構進行優化，幫助提高mRNA序列的結構緊密性、轉錄穩定性及翻譯效率，最終提升疫苗誘導的免疫原性。

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看一個序列優化的具體實例：

?新冠疫苗的靶點：全長刺突蛋白（full-length spike protein）。

?在上市產品中，M公司和B公司的新冠mRNA疫苗均單獨使用全長刺突蛋白作為mRNA靶點；

?全長刺突蛋白有1273個氨基酸；能翻譯成全長刺突蛋白的mRNA序列有10的632次方之多！

?另外，全長刺突蛋白還擁有不同的空間構象，兩家公司均采用了融合前穩定（prefusion-stabilized）構象的全長刺突蛋白，這是在模擬全長刺突蛋白未與細胞結合時的狀態。這導致了對應的mRNA序列優化工作再次增加，但得到了更好的預防效果。

?從這個例子就可以看到，尋找到二級結構足夠穩定、翻譯效率高、密碼子足夠優化的mRNA序列是巨大的挑戰，耗時耗力耗錢。

?所以，mRNA序列優化是mRNA平臺的核心技術。

?mRNA的序列優化可比為梁山英雄們排序難得多，這個工作可不是用算盤能夠解決的。

?可見的趨勢是“AI+高通量驗證法”兩條腿走路。

?2020年年中，全球首個mRNA疫苗基因序列設計算法推出，這是一種專門用于優化mRNA序列設計的高效算法。對于新冠病毒mRNA疫苗的研發而言，這個算法能在16分鐘內設計出大大提升疫苗分子架構的穩定性和蛋白質表達水平的基因序列。

?因此，業內人士預判，在精準醫學背景下，AI技術與高通量驗證法虛實結合，將是mRNA序列優化的新路徑，也是最新的發展目標。而對于mRNA研發企業來說，能夠進行全面整合新的AI技術進入研發、并建立高通量的篩選平臺是大趨勢，這也是他們與傳統醫藥研發企業區分開的重要標志。

?再次感謝中國藥學會藥學服務專業委員會委員栗世鈾教授、中科院納米生物效應與安全性重點實驗室研究員王浩教授對《暢談mRNA技術全流程》系列文章內容做出的貢獻。