mRNA Vaccine Sequence and Structure Design and Optimization: Advances and Challenges

计算生物学 序列(生物学) 信使核糖核酸 蛋白质设计 生物 计算机科学 病毒学 遗传学 蛋白质结构 生物化学 基因
作者
Lei Jin,Yuanzhe Zhou,Sicheng Zhang,Shi‐Jie Chen
出处
期刊:Journal of Biological Chemistry [Elsevier BV]
卷期号:: 108015-108015
标识
DOI:10.1016/j.jbc.2024.108015
摘要

Messenger RNA (mRNA) vaccines have emerged as a powerful tool against communicable diseases and cancers, as demonstrated by their huge success during the coronavirus disease 2019 (COVID-19) pandemic. Despite the outstanding achievements, mRNA vaccines still face challenges such as stringent storage requirements, insufficient antigen expression, and unexpected immune responses. Since the intrinsic properties of mRNA molecules significantly impact the vaccine performance, optimizing mRNA design is crucial in preclinical development. In this review, we outline four key principles for optimal mRNA sequence design: enhancing ribosome loading and translation efficiency through untranslated region (UTR) optimization, improving translation efficiency via codon optimization, increasing structural stability by refining global RNA sequence, and extending in-cell lifetime and expression fidelity by adjusting local RNA structures. We also explore recent advancements in computational models for designing and optimizing mRNA vaccine sequences following these principles. By integrating current mRNA knowledge, addressing challenges, and examining advanced computational methods, this review aims to promote the application of computational approaches in mRNA vaccine development and inspire novel solutions to existing obstacles.
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