Nature深度综述:小分子靶向RNA,这些原则你都知道吗?

医药 来源:药明康德

对于新药研发领域而言,靶向致病蛋白是诸多研发者的第一选择。而随着我们对生物学了解的不断加深,RNA作为一大潜在的成药靶点,逐渐吸引了业界的注意。去年,《Nature Reviews | Drug Discovery》在线发表了一篇综述,指出RNA靶向疗法已做好了爆炸式增长的准备。而在近日,这本知名期刊上又刊登了另一篇综述,为我们介绍了研发RNA靶向新药的几大原则。在今天的这篇文章中,药明康德微信团队也将为读者分享和整理这篇综述的主要内容。


为什么要研发RNA靶向药物?

对小分子疗法来说,它们绝大部分靶向的对象都是蛋白质。诚然,这一策略在过去的几十年来为我们带来了大量好药新药,但新药研发人员对此却并不满足。这有着几大原因:首先,不少蛋白质无“可成药性”,这意味着很难对其开发具有抑制性的小分子;其次,蛋白只占了基因组信息的极少部分。人类的基因组中,只有1.5%的序列编码了蛋白质,和疾病相关的蛋白更是只占其中的10-15%。毫无疑问,如果小分子药物的靶点能超越蛋白质,将给新药研发带来新的变革。


靶向RNA,将给我们带来更多的成药选择(图片来源:《Nature Reviews | Drug Discovery》)

RNA就是这样一种潜在的靶点。在正常细胞中,RNA有着重要的生理功能——mRNA携带了基因的遗传信息,指导蛋白质的合成;非编码RNA则调控基因的表达。靶向RNA有着多种好处:由于处于蛋白质的上游,靶向RNA有望直接对蛋白质的翻译效率进行上调或下调,解决蛋白“不可成药”的难题;RNA在人类基因组中极为丰富,产生非编码RNA的序列更是占到了基因组的70%,丰度比编码蛋白质的序列高出一个数量级;而近期一些概念验证性试验的成功,也让我们看到了希望。

RNA靶向药物的研发现状

从2012年之前的历史数据上看,靶向RNA的配体大多为碱性,在正常生理环境下带有正电荷。此外,它们的分子结构较平,能与RNA的碱基进行良好的结合。这些分子尽管对RNA有很高的亲和力,但特异性较差。因此,这些分子的药理学特性不佳,很难成药。

但如今,我们在寻找RNA靶向配体的领域取得了快速进展,许多课题组也正在寻找全新的靶向RNA的药物。简单来说,这些药物根据靶向的RNA结构,可以被分为三大类,它们分别靶向:

RNA的多个密集螺旋(multiple closely packed helices)

不规则的次级结构(irregular and usually bulge-containing secondary structures)

或是三联体重复(triplet repeats)


第一类药物中已彰显出潜力的四款分子(图片来源:《Nature Reviews | Drug Discovery》)

在这三类靶向RNA的药物中,第一类药物被认为是当下RNA靶向药物开发的进展前沿。这篇综述中,作者们强调了四种分子——linezolid、ribocil、branaplam、以及SMA-C5。综述指出,这些分子“靶向了复杂的RNA结构模块,且每一个均有很高的QED(quantitative estimate of drug-likeness)分值”,表明其具有潜在的成药潜力。值得一提的是,这些分子都是通过表型筛选找到的结果,之后才被确认具有RNA结合的属性。因此,尽管它们开了一个RNA靶向新药研发的好头,但我们尚无法从中推导出明确的RNA靶向方针。

有趣的是,在另两类药物中,研究人员们最初的筛选过程,就是为了找到能靶向RNA的小分子药物。这些筛选方法包括高通量筛选、使用专注这一方向的化合物库、受结构启发的设计、基于片段的筛选方法、以及计算机模型。这带来了大量不同的潜在RNA靶向分子,让我们对靶向RNA的原则与方针有了更深的认识。

如何靶向RNA?

由于RNA与蛋白质结构上的显着不同,研究人员们首先想到的问题在于RNA是否具有“可成药性”。这个担忧合情合理。与蛋白不同,RNA主要由四类核苷酸元件组成,带有大量电荷,也比蛋白质更为亲水。但本综述的作者们也指出,RNA毕竟还是有折叠后的三维结构。这些复杂结构有望带来足够的成药构象,让小分子药物结合与识别。


小分子药物也可识别RNA结构(图片来源:《Nature Reviews | Drug Discovery》)

过去“意外发现”的小分子RNA靶向药物支持了这一观点。上文中提到的linezolid和ribocil从传统药物化学的角度看,都是非常杰出的分子——它们符合经典的“里宾斯基五规则”,有较小的极性总表面积(tPSA),也有较好的细胞膜穿透性。此外,它们没有明显的毒性。最关键的是,它们能结合RNA靶点结构上的“口袋”。这与许多靶向蛋白质的小分子药物如出一辙,也支持了靶向RNA的小分子药物的研发。

如同蛋白质靶向药物一样,靶向RNA的药物也需要对RNA结构的了解。该综述的作者们指出,良好的RNA靶点,结构上应有足够的“信息量”。目前,具有成药潜力的几个分子都靶向复杂的RNA结构。而倘若靶向简单的RNA结构(如RNA螺旋),可能会影响到靶向分子的亲和力与特异性。不幸的是,目前我们在RNA结构上取得的进展还比较有限,这或许是影响到RNA靶向疗法研发效率的瓶颈之一。

八大指导方针

在这篇综述的最后,作者们谨慎地指出,尽管我们在RNA靶向药物的研发上取得了一些可喜的进展,但站在一个全局的角度看,我们依旧不知道如何大规模、可重复地筛选靶向RNA的小分子。为了指导未来的新药筛选,研究人员们整理了几大方针,供后人参考:

专注于具有足够复杂度,结构独特的RNA模块。这些模块有望带来高质量的“口袋”,方便小分子药物结合。这些模块在大型RNA分子中较常见。

谨慎决定靶向RNA的小分子基本结构。在定义这些结构前,我们还需要更多的研究。过去几十年来,靶向蛋白质的经验或许有用。

在核糖体RNA上取得的成功,未必能旁推到其他领域。这些RNA在细胞中高度富集,靶向它们的分子可能有特殊的性质。

对于那些高度碱性、具有插入特性、或是高度疏水的小分子化合物,对实验结果的解读要尤其谨慎。这些化合物可能与RNA有很高的亲和力,但可能会有严重的脱靶效应。

留意那些能够靶向RNA-蛋白质相互结合的分子,譬如branaplam和SMA-C5。它们有望带来出色的特异性与亲和力。

找到那些具有“高信息量”的结构。相比蛋白质,RNA的一大优势在于我们有许多定量的化学方法去帮助我们完成这些工作。

在现有工具的基础上,开发全新的工具,去更好地了解RNA的复杂结构。

找到那些具有明确治疗机制的靶点,并针对它们寻找潜在的新药。


好的RNA靶点应有足够的“信息量”(图片来源:《Nature Reviews | Drug Discovery》)

随着我们对RNA生物学的进一步了解,我们期待有朝一日,RNA将不再是一个难以靶向的分子。如果后续研究表明RNA的可成药性优于蛋白,那有望为我们带来全新的治疗方案。我们希望尽快看到这一天的到来!

参考资料:

[1] Principles for targeting RNA with drug-like small molecules

[2] 深度长文:靶向RNA,新领域已准备迎接爆发 – 药明康德微信公众号

来源:药明康德

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