N1-メチルシュードウリジン(m1Ψ)のmRNAでの役割とは？ 自然免疫の回避と翻訳量

mRNAを細胞に入れると、細胞はそれを「外から来たRNA」として警戒します。ウイルスのRNAを見張るためのセンサーが働き、炎症性のシグナルが立ち上がると、目的タンパク質の翻訳はむしろ抑え込まれます。せっかく設計した配列が読まれず、狙った量のタンパク質が得られないという事態が起こり得ます。

m1Ψへの置換は、この「自然免疫による警戒」を弱め、翻訳される量を引き上げる手立てとして知られています。あわせて、製造工程で混入する二本鎖RNA(dsRNA)不純物の管理とも切り離せません。本稿では、m1Ψが担う役割と、なぜ改変ヌクレオシドが治療用mRNAの標準になっていったのかを、条件依存の部分も含めて整理します。

なぜ天然のウリジンだと具合が悪いのか

まず、置き換える前の状態を押さえます。ウリジンをそのまま使った(未修飾の)IVT(in vitro転写)mRNAを細胞に導入すると、複数の自然免疫センサーがこれを異物として認識します。関わる主なセンサーは次のとおりです。

• TLR(Toll様受容体)：エンドソーム内でRNAを見張るセンサー群で、TLR3・TLR7・TLR8が一本鎖・二本鎖のRNAに反応します。
• RIG-I / MDA5：細胞質でウイルス由来RNA、とくに二本鎖の構造を感知するセンサーです。
• PKR：二本鎖RNAに結合して活性化し、翻訳開始因子eIF2αをリン酸化する酵素です。

これらが働くと、I型インターフェロンや炎症性サイトカインの産生が誘導され、細胞は「防御モード」に入ります。とくにPKRが活性化してeIF2αがリン酸化されると、翻訳開始が止まり、mRNA全体の読み取りが落ちます。Karikó氏とWeissman氏らの研究は、細胞のRNAセンサーが自己RNAと外来RNAを見分ける鍵の一つが、RNAに含まれる修飾ヌクレオシドの有無であることを示しました。天然の自己RNAは修飾を多く含み、センサーに引っかかりにくいという事実が出発点です。 未修飾mRNAは自然免疫センサーに認識され、炎症と翻訳抑制の両方を招きやすい 状態にあります 。

m1Ψが果たす二つの役割：免疫回避と翻訳量

シュードウリジン(Ψ)は、ウリジンの異性体にあたる天然の修飾ヌクレオシドです。ウリジンをΨに置き換えると、TLR3・TLR7・TLR8などの活性化が抑えられ、RNAが自然免疫センサーに見つかりにくくなります。結果として炎症が下がり、翻訳される量が大きく伸びることが報告されています。N1-メチルシュードウリジン(m1Ψ)は、そのΨにメチル基が付いた誘導体です。

複数の比較研究では、m1Ψを使ったmRNAが、Ψを使ったものよりもタンパク質発現が高く、免疫原性がさらに低い傾向が示されています。この性質から、治療用mRNAではm1Ψへの全置換が広く採られるようになりました。新型コロナウイルス向けの主要なmRNAワクチンでも、配列中のウリジンをすべてm1Ψに置換した設計が用いられています。

m1Ψの効きどころは、大きく二つに整理できます。

この二つは独立ではなく、つながっています。免疫が立ち上がると翻訳が抑えられるため、免疫を回避できること自体が翻訳量の底上げにつながります。 m1Ψは免疫回避と翻訳量向上を同時に担う修飾 です 。

二本鎖RNA(dsRNA)不純物との関係

ここで見落とせないのが、修飾ヌクレオシドだけで話が完結しない点です。IVTでmRNAを合成する過程では、副生成物として二本鎖RNA(dsRNA)が生じます。dsRNAはTLR3やRIG-I、MDA5、PKRといったセンサーの強力なリガンドで、微量でも自然免疫を刺激します。

つまり、免疫原性を下げるには「配列を修飾すること」と「dsRNA不純物を取り除くこと」の両輪が要ります。研究では、次のような関係が報告されています。

• 未修飾ウリジンのmRNAは、精製の巧拙によらず免疫刺激性が残りやすい。
• m1Ψを使い、かつdsRNAを減らす精製工程を組み合わせたものが、免疫指標をもっとも低く抑える。
• クロマトグラフィーなどでdsRNAを除いても、m1Ψ修飾と未修飾の間に残る免疫原性の差は完全には消えないが、差は小さくなる。

言い換えると、修飾と精製はどちらか一方では足りず、補い合う関係にあります。dsRNAの残存量は品質管理上の重要指標で、製造では定量とその低減が求められます。欧州薬局方は2024年にmRNAワクチンに関する一般テキストを採択しており、dsRNAをはじめとする不純物の管理が品質評価の枠組みに位置づけられつつあります。 修飾ヌクレオシドとdsRNA除去は、免疫原性を下げるうえで補完的な 手段です 。

なお、精製工程の設計はLNP化などの下流と一体で考える必要があります。原薬としてのmRNAをどう仕上げ、脂質ナノ粒子に封入するかまでを含めた全体像は、mRNA-LNP製造プロセスで扱っています。

なぜ改変ヌクレオシドが「標準」になったのか

改変ヌクレオシドが治療用mRNAで標準化していった背景を整理すると、次の点に集約できます。

第一に、免疫原性の低減です。ウリジンをΨやm1Ψに置き換えるだけで、自然免疫センサーによる認識が弱まり、炎症反応が下がります。ワクチンでは適度な免疫刺激が求められる場面もありますが、意図しない過剰な自然免疫の立ち上がりは、翻訳抑制と有害事象の両面で不利に働きます。

第二に、発現量の確保です。免疫が抑えられることに加え、m1Ψそのものが翻訳を後押しする効果が報告されており、同じ配列からより多くのタンパク質を得られます。少ない投与量で必要量のタンパク質を作れることは、治療用途で大きな利点になります。

第三に、安定性への寄与です。修飾レベルはタンパク質発現・免疫原性だけでなく、mRNAの安定性とも相関することが示されています。

一方で、改変ヌクレオシドは万能ではありません。m1Ψの導入が、リボソームのすべりやすい配列で+1リボソームフレームシフト(読み枠が1塩基ずれる現象)を起こし得ることが報告されています。これは想定外のタンパク質産物を生む可能性を示すもので、配列設計や品質評価で意識すべき論点です。修飾は良いことずくめではなく、翻訳の忠実性という観点からの検証も要る、というのが現在の理解です。 m1Ψの標準化は免疫回避・発現量・安定性の利点に支えられつつ、翻訳忠実性という留意点も伴い ます 。

mRNAの機能は、修飾ヌクレオシドだけで決まるわけではありません。5'端のキャップ構造も、自然免疫の回避と翻訳効率の両方に関わる要素です。キャップの役割はmRNAのキャッピングで解説しています。修飾・キャップ・精製・製剤化が組み合わさって、初めて狙った挙動が得られる、という前提を外さないことが大切です。

まとめ

治療用mRNAでウリジンをN1-メチルシュードウリジン(m1Ψ)へ全置換する狙いは、自然免疫センサー(TLR7/8、RIG-I/MDA5、PKRなど)による認識を弱めて炎症を抑えることと、それに伴って翻訳される量を引き上げることの両立にあります。Ψと比べてもm1Ψは発現が高く免疫原性が低い傾向があり、この性質が標準化を後押ししました。

ただし、修飾だけでは足りません。IVTで生じるdsRNA不純物は強力な免疫刺激因子で、その除去と修飾は補完的な関係にあります。dsRNAの定量と低減は品質管理の要点で、薬局方や当局の枠組みにも組み込まれつつあります。加えて、+1フレームシフトのように修飾がもたらす翻訳忠実性の論点もあり、修飾は利点と留意点の両面から評価するのが実務的な姿勢です。

参考文献

• European Directorate for the Quality of Medicines & HealthCare (EDQM), European Pharmacopoeia — mRNA vaccines general texts
• European Medicines Agency (EMA), Quality aspects of mRNA vaccines (guideline)
• ICH Q6B, Specifications: Test Procedures and Acceptance Criteria for Biotechnological/Biological Products
• U.S. Food and Drug Administration (FDA), Vaccines and Related Biological Products
• World Health Organization (WHO), Standards and specifications for mRNA vaccines