N1-メチルシュードウリジン

N1-メチルシュードウリジン（N1-Methylpseudouridine, 略号：m1Ψ）は、リボ核酸（RNA）を構成する基本的な構成要素であるウリジンに構造的に類似したシュードウリジンの誘導体で、N1位にメチル基が付加された化学修飾ヌクレオシドです。この分子は、一部の原始的な微生物群であるアーキアのトランスファーRNA（tRNA）成分として天然にも存在しています。

近年、合成されたN1-メチルシュードウリジンは、生化学的な研究や応用において重要な役割を果たしています。特に、細胞外でのRNA合成（in vitro転写）プロセスや、画期的な医薬品であるメッセンジャーRNA（mRNA）ワクチンの製造において広く利用されています。例えば、新型コロナウイルス感染症（COVID-19）に対するmRNAワクチンであるトジナメラン（ファイザー・バイオンテック製）やエラソメラン（モデルナ製）の主要な構成成分として組み込まれています。

特性と応用

N1-メチルシュードウリジンが持つ独自の生物物理学的・生化学的特性は、特にRNAワクチンの分野でその価値を発揮しています。

まず、この修飾ヌクレオシドを含むRNAは、脊椎動物の免疫系において、天然のウリジンを含むRNAと比較して自然免疫応答の刺激を著しく抑えることが知られています。これは、ワクチン接種後に起こりうる不必要な炎症反応を低減し、副反応のリスクを軽減する上で非常に重要な特性です。

一方で、N1-メチルシュードウリジンは、mRNAからのタンパク質合成の最初の段階である転写プロセスにおいては、ウリジンを用いる場合よりも高い効率を示すことが報告されています。さらに、その後に続く翻訳（タンパク質への変換）の段階では、リボソームによって天然のウリジンと同様に正確に読み取られ、設計されたタンパク質を高い収率で生産することが可能です。

シュードウリジンは、アデニン（A）だけでなく他の塩基とも柔軟な塩基対を形成する可能性（ゆらぎ塩基対）が指摘されていますが、COVID-19に対する修飾mRNAワクチンの開発検証において、全てのウリジンをN1-メチルシュードウリジンに置き換えたmRNAからでも、期待通りの正確なタンパク質が忠実に生産されることが確認されています。

フレームシフトに関する議論

最近の研究、例えばMulroneyらによる報告では、N1-メチルシュードウリジンを含む特定のRNA配列が、リボソームによる翻訳時にリボソームが滑りやすく、読み取り枠がずれる「フレームシフト」と呼ばれる現象を引き起こす可能性が示唆されています。しかし、この潜在的な問題は、mRNA中のフレームシフトを誘発しやすい配列を、同じアミノ酸をコードする別のコドン（同義コドン）に置換することで、比較的容易に回避できると考えられています。

さらに重要なのは、これまでにmRNAワクチンにおけるフレームシフトの発生によって引き起こされる明確な安全性上の懸念は確認されておらず、ワクチンの効果に影響を与えるという証拠も示されていない点です。Mulroneyらの研究では、N1-メチルシュードウリジンを含むBnt162b2ワクチン（ファイザー製）を接種したマウスが、フレームシフトをほとんど起こさないとされるVaxzevriaワクチン（アストラゼネカ製）を接種したマウスと比較して、本来標的とするスパイクタンパク質に対するより強いT細胞応答を示したことが観察されています。

ヒトのドナー細胞を用いた研究では、T細胞がフレームシフトによって生じた短いペプチド断片を認識する程度に個人差が見られ、またフレームシフトが発生する頻度そのものも個人間でばらつきが大きい可能性が示されています。タンパク質合成過程でのフレームシフト産物の生成はまれな事象ではありますが、既知の現象であり、ウイルス感染時にも起こりうるものです。そして、このようなフレームシフトによって生じる非本来的な配列が、免疫系によって標的されうる可能性があることは、免疫応答の多様性の観点から興味深い点です。

しかし、ファイザー・バイオンテック製とモデルナ製のCOVID-19ワクチンは、そのmRNAのヌクレオチド配列にかなりの違いがあるにもかかわらず、両ワクチンの安全性プロファイルは類似していることから、フレームシフトがワクチンの安全性に大きく影響を与えている可能性は低いと総合的に評価されています。

開発の経緯

N1-メチルシュードウリジンを含む修飾ヌクレオシドを用いたRNA技術の発展は、合成技術の進歩と密接に関連しています。2016年には、リボヌクレオシドから医薬品グレードのヌクレオシド三リン酸を効率的に合成する大規模製造法が報告され、これは後のmRNAワクチン開発の基盤となりました。

この合成技術の確立を経て、2017年から2018年にかけて、N1-メチルシュードウリジンなどの修飾ヌクレオシドを含むmRNA技術を用いたジカウイルス、HIV-1、インフルエンザ、エボラウイルスに対する複数のワクチン候補が臨床試験に進みました。これらの先行する研究と治験の経験が、新型コロナウイルスパンデミックにおけるmRNAワクチンの迅速な開発と実用化を可能にしたのです。

結論として、N1-メチルシュードウリジンは、その免疫刺激抑制作用と優れた転写・翻訳効率により、現代のRNA技術、特にmRNAワクチン開発において不可欠な化学修飾ヌクレオシドとしての地位を確立しています。フレームシフトの可能性に関する知見は存在するものの、臨床的な安全性や効果への影響は限定的であると考えられています。

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