Nature：为RNA新药研发开辟广阔天地，科学家成功开发靶向Xist的小分子药物

文 | 写意君

此前很长一段时间里，RNA一直被认为只是在基因与蛋白质之间传递信息的分子。而随着生物学研究的进展，人们逐渐认识到RNA在人类健康中发挥着巨大的作用。RNA除了充当蛋白合成的信使 （mRNA） 外，还具有非常重要的调控功能，控制基因的表达。

由于蛋白质的合成离不开mRNA的指引，因此，理论上如果可以将RNA作为药物靶点，其用途范围远超蛋白质。然而由于RNA本身结构的不稳定性，长期以来制药行业很少将RNA作为药物靶点。

这也导致目前几乎所有药物针对的都是人类20000种蛋白质中约700个疾病相关蛋白。相比之下，获批上市的针对RNA的药物仅10种左右。显然，针对RNA的药物还要很大的成长空间。

近日，来自美国哈佛医学院的分子生物学博士Jeannie T. Lee带领的研究团队，设计了一种基于RNA结构的全新筛选策略，克服了RNA结构不稳定难以作为靶点的局限。同时，在对近50000种小分子化合物进行筛选后，研究人员找到了一种可以特异性结合Xist的小分子药物，证实了这一策略的可行性。

对此，Lee博士表示，“非编码RNA在基因组中发挥着非常重要的作用，非编码RNA的异常也会导致疾病。由于这些非编码RNA数量远大于编码蛋白质的基因，如果可以针对RNA开发药物，将极大的扩展人类药物的可及性。而我们的研究无疑为RNA药物的研发开辟了新方向”。

相关研究以“Targeting Xist with compounds that disrupt RNA structure and X inactivation”为题发表在3月30日的Nature杂志上。

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RNA药物的研发与挑战

随着人类分子生物学技术的进步，目前人类新药研发主要基于相应的分子靶点、生物通路或细胞过程，从而达到治疗人类疾病药理作用。小分子化合物和蛋白质/抗体依旧是目前最主要的药物形式和药物开发的首选方式，可作用于酶、受体、离子通道、转运蛋白和激酶等蛋白质靶标。

相比之下，RNA分子药物，例如RNA适体、反义寡核苷酸、小干扰RNA (siRNA) 和引导RNA (gRNA) ，虽然具有与传统靶向蛋白质的小分子和蛋白质药物互补的独特理化和药理特性，但由于RNA的结构不稳定性，研发相对缓慢。不过，随着分子生物学技术的发展，RNA分子药物目前已成为临床实践中的一类新模式，并正在积极开发中。

不过RNA分子不仅可以作用于常规蛋白质组，还可以作用于以前未使用药物的转录组，包括要翻译成蛋白质的mRNA和数量上大大超过mRNA的功能性非编码 RNA (ncRNA) ，甚至直接靶向人类基因组。

图：mRNA（红色）（来源：Nature）

目前，基于RNA的分子疗法主要可以分为两类，一是直接用作治疗药物的RNA分子或类似物，二是靶向RNA的小分子化合物。

多种RNA分子药物已被FDA批准用于人类疾病的治疗，RNA分子似乎在作用于多种已证实和可能的治疗靶点方面具有高度特异性，包括蛋白质、转录本和基因。

然而，RNA分子本身易于被血清RNase分解代谢，并且需要通过细胞膜屏障才能进入细胞内靶标。与蛋白质治疗药物类似，RNA药物不能口服。因此，RNA和蛋白质药物通常通过其他途径给予患者，例如静脉内或皮下注射。这与许多小分子无机和有机复合药物完全不同，后者具有良好的或可接受的口服生物利用度，主要为患者口服给药。

其次，具有广泛结构多样性和药理、药化以及和药代动力学特性的常规小分子化合物是结合和靶向高度结构化的RNA靶标的首选实体。在确定RNA靶标、选择适当的药物样小分子并确定RNA-小分子相互作用后，可对RNA靶向小分子进行处理以进行进一步的临床前和临床研究定义有效性和安全性概况。

因此，相比于直接用作治疗药物的RNA分子或类似物，靶向RNA的小分子药物可能更适合新药研发。多种抗生素，如天然和半合成氨基糖苷类、四环素类药物、大环内酯类药物以及合成的恶唑烷酮类药物的研发成功，证实了小分子药物的可行性。

当然，开发靶向RNA的小分子药物目前依旧存在挑战。毕竟，RNA是区别于蛋白质的独特大分子，且与DNA功能密切相关。目前，经过验证的可用的RNA靶点数量有限，新治疗靶点的验证需要进行繁琐而广泛的研究。

更重要地是，RNA作为靶点时，由于其结构的不稳定性，人们需要详细研究并严格定义小分子与靶RNA相互作用的特异性。许多最初设计和/或鉴定的“RNA相结合小分子”随后被证实会作用于其他靶标 （例如，直接与 DNA 结合） 。

这也是只要制药行业不愿将RNA作为药物靶点的主要原因，毕竟蛋白质的结构往往具有稳定的形状和构想，小分子和蛋白质之间的结合往往是紧密而独特的。

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新策略助力RNA小分子药物研发

来自美国哈佛医学院的分子生物学博士Jeannie T. Lee同时领导者马塞诸塞州总医院的分子生物学实验室。她的团队主要研究RNA及其在X染色体失活生物过程中的作用，该过程使雌性哺乳动物中的两条X染色体种的一条失活，这是正常发育所必需的。

该研究的重点是一种称为Xist的非编码RNA，它使X染色体上的基因沉默。找到干扰这一过程并重新激活休眠X染色体的方法可以帮助指导开发由X染色体突变引起的遗传疾病的治疗方法，例如Rett综合征和脆性X综合征。

为了寻找靶向Xist的小分子化合物，Lee博士团队与默克公司的科学家Kerrie Spencer和Elliott Nickbarg一起基于自动配体识别系统设计了一种全新筛选策略，针对50,000种小分子化合物库筛选靶向Xist的小分子化合物，最终发现了几种与Xist上称为RepA的区域结合的化合物，RepA是Xist沉默X染色体所必需的。

图：有和没有 X1 时的 RepA 3D结构（来源：Nature）

其中，一种被Lee的团队命名为X1的化合物具有特别的药理活性，它阻止了几种关键蛋白质PRC2和SPEN与RepA结合，从而阻止了X染色体的沉默。

为了了解X1的作用机制，Lee博士的团队与加拿大莱斯布里奇大学的结构生物学家Trushar Patel 博士领导的研究团队合作。结果发现，通常Xist的RepA区域具有16种不同的空间构象，但X1与之结合后会使它采用了更统一的构像。这种结构变化阻止了RepA与PRC2和SPEN的结合。

对此，Lee博士表示，“我们的方法可用于寻找其他RNA靶向药物，这无疑为新药研发开辟了广阔的天地。现在我们不只可以使用小分子靶向700种蛋白质，未来，我们可能通过小分子靶向数万甚至数十万个RNA用于治疗疾病。”

参考资料

1.https://www.nature.com/articles/s41586-022-04537-z

2.https://www.massgeneral.org/news/press-release/Rna-can-be-targeted-by-small-molecule-drugs

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