mRNA-Impfstoffe: So funktionieren sie

Vertiefung zum ThemaImpfstoffe

Weniger als ein Jahr nachdem das neue Coronavirus bekannt geworden war, wurde in der EU der erste mRNA-Impfstoff zugelassen. Mit ihm kamen Fragen: Was passiert mit der mRNA im Körper? Und kann sie das Erbgut verändern? Wer weiß, wie die Proteinbiosynthese funktioniert, kann beides selbst beantworten.

Einfach erklärt

Diese Seite vertieft das Thema „Impfstoffe“. Ein mRNA-Impfstoff enthält keinen Erreger. Er enthält nur einen Bauplan für ein Eiweiß vom Erreger. Die mRNA – das ist eine Abschrift von einem Gen. Sie steckt in winzigen Fetttröpfchen. Diese bringen die mRNA in deine Zellen.

In der Zelle lesen die Ribosomen die mRNA ab. Das sind kleine Eiweiß-Fabriken in der Zelle. Sie bauen das Eiweiß vom Erreger. Deine Abwehr lernt dieses Eiweiß kennen. Danach baut die Zelle die mRNA wieder ab.

Viele Menschen fragen: Verändert die mRNA mein Erbgut? Die Antwort ist nein. Dein Erbgut liegt im Zellkern. Die mRNA bleibt außerhalb vom Zellkern. Sie ist RNA und keine DNA. Außerdem baut die Zelle sie schnell ab.

Das Wichtigste:

• Seit Dezember 2020 gibt es in der EU zugelassene mRNA-Impfstoffe.
• Die Forschung dazu läuft schon seit Jahrzehnten.
• Eine mRNA-Impfung ist keine Gentherapie.

Merke: Ein mRNA-Impfstoff liefert nur einen Bauplan und verändert dein Erbgut nicht.

So funktioniert ein mRNA-Impfstoff in der Zelle

In jeder deiner Zellen werden ständig mRNA-Moleküle gebildet und wieder abgebaut. Sie sind Abschriften einzelner Gene und tragen die Bauanleitung für ein Protein vom Zellkern zu den Ribosomen im Zellplasma (Zytoplasma). Ein mRNA-Impfstoff nutzt genau diesen Weg – nur dass die Abschrift von außen kommt. Die Schritte entsprechen den Nummern in Abb. 1:

1. AufnahmeNach der Spritze in den Oberarmmuskel heften sich die Lipid-Nanopartikel an Zellen in der Umgebung und werden in kleinen Membranbläschen (Endosomen) aufgenommen.
2. FreisetzungIm sauren Milieu des Endosoms verändern die Lipide ihre Ladung, die Membran wird durchlässig, und die mRNA gelangt ins Zellplasma.
3. TranslationRibosomen lesen die mRNA ab und bauen nach ihr das Erregerprotein, bei den COVID-19-Impfstoffen das Spike-Protein des Coronavirus.
4. ImmunantwortDas Protein erscheint an der Zelloberfläche oder wird in Bruchstücken präsentiert. B-Zellen bilden Antikörper, T-Zellen werden aktiviert, Gedächtniszellen entstehen.
5. AbbauEnzyme, die überall in der Zelle RNA zerlegen (Ribonukleasen), bauen die mRNA ab. Danach wird kein Protein mehr gebildet.

Weil die Zellen das Protein selbst bilden und präsentieren, regt ein mRNA-Impfstoff sowohl die Bildung von Antikörpern als auch T-Zellen an. Welche anderen Impfstofftypen es gibt und wie sich rekombinante, Vektor- und klassische Impfstoffe unterscheiden, zeigt das Hauptkapitel Impfstoffe.

Was steckt in der Spritze?

Eine Impf-mRNA ist eine künstlich hergestellte Kopie einer natürlichen mRNA. Damit sie lange genug hält und gut abgelesen wird, hat sie dieselben Bauteile wie die mRNA deiner Zellen (Abb. 2). Eine wichtige Besonderheit: Statt des Bausteins Uridin enthält sie ein leicht verändertes Nukleosid (bei den COVID-19-Impfstoffen N1-Methylpseudouridin). So wird sie von den Abwehrsensoren der Zelle nicht als fremd erkannt.

Die mRNA allein würde im Körper sofort zerfallen und käme nicht durch die Zellmembran, weil sie groß und negativ geladen ist. Deshalb ist sie in Lipid-Nanopartikel verpackt. Diese bestehen bei den zugelassenen Impfstoffen aus vier Fettstoffen: einem ionisierbaren Lipid, das im sauren Endosom positiv geladen wird und so die Freisetzung ermöglicht, Cholesterin für die Stabilität, einem Phospholipid als Gerüst und einem Lipid mit einer Polyethylenglykol-Kette, das die Partikel klein und einzeln hält.

Faktencheck: Verändert ein mRNA-Impfstoff das Erbgut?

Nein. Diese Antwort lässt sich mit Schulwissen begründen, und der damalige Präsident des Paul-Ehrlich-Instituts, Klaus Cichutek, nannte Warnungen vor Erbgutschäden durch mRNA-Impfstoffe falsch. Die Gründe:

• Falscher Ort: Die DNA liegt im Zellkern. Die Impf-mRNA wird im Zellplasma abgelesen und hat keinen Mechanismus, um in den Kern zu gelangen. Der Informationsfluss in der Zelle läuft von der DNA über die mRNA zum Protein, nicht zurück.
• Falsches Molekül: RNA ist einzelsträngig und chemisch anders gebaut als DNA (Ribose statt Desoxyribose, Uracil statt Thymin). Um ins Erbgut zu gelangen, müsste sie erst von einer reversen Transkriptase in DNA umgeschrieben und dann von einer Integrase eingebaut werden. Dieses Werkzeugpaar bringen Retroviren wie HIV mit, der Impfstoff enthält es nicht. Menschliche Zellen besitzen zwar einzelne Enzyme mit ähnlicher Fähigkeit, etwa die Telomerase, die mit ihrer eigenen RNA-Vorlage DNA an die Chromosomenenden anbaut. Sie sind aber auf eigene Vorlagen ausgerichtet und in den meisten Körperzellen wenig aktiv. Ein Einbau von Impf-mRNA in das Erbgut geimpfter Menschen ist nicht nachgewiesen.
• Kurze Lebensdauer: Ribonukleasen bauen jede mRNA ab, die körpereigene wie die geimpfte. Die Zelle wird nicht dauerhaft umprogrammiert.

Selbst in einer Zelle, die mit einem Retrovirus infiziert ist, ist ein Umschreiben der Impf-mRNA nach Einschätzung von Fachleuten äußerst unwahrscheinlich: Die reverse Transkriptase der Viren braucht eine kurze Startsequenz (Primer), die nur zum Viruserbgut passt. Wie DNA und RNA sich unterscheiden, kannst du auf der Seite DNA und RNA: die Unterschiede nachlesen.

Vom Labor zum Nobelpreis – und was als Nächstes kommt

Jahr	Meilenstein
1961	Sydney Brenner, François Jacob und Matthew Meselson beschreiben die mRNA als Überträgerin der Information vom Gen zum Ribosom.
1989/1990	Forschende bringen mRNA mithilfe von Lipiden in Zellen; 1990 bilden Mäuse nach einer Spritze in den Muskel das gewünschte Protein.
2005	Katalin Karikó und Drew Weissman zeigen: Veränderte Nukleoside verhindern, dass die angeborene Abwehr auf die mRNA anspringt.
Dezember 2020	Erste EU-Zulassung eines mRNA-Impfstoffs gegen COVID-19 (BioNTech/Pfizer).
2023	Nobelpreis für Physiologie oder Medizin an Karikó und Weissman.
August 2024	EU-Zulassung des ersten mRNA-Impfstoffs gegen eine andere Krankheit: RSV-Impfstoff für Menschen ab 60 Jahren.

In klinischen Studien werden mRNA-Impfstoffe gegen weitere Infektionskrankheiten und gegen Krebs erprobt. Bei den Krebsimpfstoffen wird die mRNA teils für jeden Patienten einzeln entworfen: Sie enthält Baupläne für veränderte Proteine, die nur sein Tumor trägt. Ob solche Impfstoffe sich bewähren, müssen die laufenden Studien erst zeigen. Wie sich mRNA-Impfstoffe von klassischen Impfstoffen unterscheiden, vergleicht die Seite Lebendimpfstoff und Totimpfstoff.

Vertiefung Oberstufe: Warum die Zelle fremde RNA erkennt – und wie man das umgeht

Viele Viren haben RNA als Erbgut. Deshalb besitzen unsere Zellen Sensoren der angeborenen Immunabwehr, die fremde RNA erkennen: Toll-ähnliche Rezeptoren in den Endosomen (TLR3, TLR7, TLR8) und Sensoren im Zellplasma wie RIG-I. Schlagen sie an, schüttet die Zelle Botenstoffe aus, die eine Entzündung auslösen, und fährt ihre Proteinproduktion herunter. Für einen Impfstoff ist beides schlecht: Er würde mehr Nebenwirkungen verursachen und weniger Protein liefern.

Karikó und Weissman beobachteten, dass bestimmte RNA aus dem eigenen Körper, etwa die Transfer-RNA, kaum Entzündungen auslöst. Sie enthält von Natur aus viele veränderte Nukleoside, zum Beispiel Pseudouridin. Ersetzten die beiden im Labor Uridin durch Pseudouridin, erkannten die Sensoren die mRNA nicht mehr als Gefahr. Spätere Arbeiten zeigten, dass solche mRNA zudem deutlich mehr Protein liefert. Die zugelassenen COVID-19-Impfstoffe nutzen eine Weiterentwicklung, das N1-Methylpseudouridin.

Ein zweiter Engpass ist die Freisetzung aus dem Endosom. Nur ein kleiner Teil der aufgenommenen mRNA gelangt tatsächlich ins Zellplasma. Nach einer gängigen Vorstellung, der Protonenschwamm-Hypothese, nehmen die ionisierbaren Lipide im sauren Endosom Protonen auf, werden positiv geladen und destabilisieren die Membran. Forschende arbeiten an Lipiden, die diesen Schritt effizienter machen, damit weniger mRNA für dieselbe Wirkung nötig ist.

Fachbegriffe

mRNA (Boten-RNA)

Abschrift eines Gens, die im Zellplasma an Ribosomen in ein Protein übersetzt wird.

Lipid-Nanopartikel

Winzige Fetttröpfchen, die mRNA schützen und in Zellen bringen.

Endosom

Membranbläschen, in dem von außen aufgenommene Stoffe in die Zelle gelangen.

modifiziertes Nukleosid

Leicht veränderter RNA-Baustein, z. B. Pseudouridin, der Abwehrsensoren der Zelle nicht aktiviert.

reverse Transkriptase

Enzym, das RNA in DNA umschreibt; Retroviren wie HIV bringen es mit. Ähnliche Enzyme menschlicher Zellen, etwa die Telomerase, arbeiten nur mit eigenen Vorlagen.

Ribonuklease

Enzym, das RNA abbaut.

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