科学家们利用小分子药物瞄准导致疾病的RNAs

n个世纪80年代，一个充满希望的新的药物靶标在对抗癌症的战斗出现了。这种蛋白质被称为c-Myc，由人类发现的第一种细胞癌基因编码，并且在人类癌症的50%以上被发现失调。该肽充当转录因子，促进参与细胞周期，细胞死亡和肿瘤发生的基因的表达。这使其成为抗癌药物的明显目标。

然而，尽管世界各地的学术实验室和制药公司几十年的共同努力，c-Myc已经证明令人沮丧地难以吸毒。研究人员发现，最大的障碍之一是蛋白质相对光滑的三维结构几乎没有任何口袋或缝隙可供治疗分子结合。

C-Myc远非一个独特的案例。虽然癌症通常具有由致癌基因突变产生的功能失调的蛋白质，但研究人员一直在努力开发小分子疗法 - 仍然是最便宜和最易理解的药物类别 - 以蛋白质本身为目标。“目前，许多蛋白质基本上不能用药，因为它们没有那些明显的小分子结合位点，”马萨诸塞州生物制药公司Arrakis Therapeutics的首席执行官迈克尔吉尔曼解释道。“这留下了大片重要的生物学基本上是我们无法接近的。”

这个鸿沟让许多药物开发人员感兴趣，而是针对RNA特异性靶向，使用可能与行为不端RNA的三维结构结合的小分子并防止它们转化为有问题的蛋白质，或者如果它们是非编码的，则阻止它们的癌症 - 促进细胞内的功能。与市场上的其他RNA靶向药物相比 - 例如反义疗法，其使用合成的互补RNA抑制功能障碍的RNA-小分子通常具有低毒性特征并且更容易递送到他们需要的地方，即使目标是实体肿瘤或潜伏在血脑屏障之外的细胞。事实上，一些科学家推测癌症生物学中最难以捉摸的目标 - 转录因子c-Myc和STAT3以及细胞信号蛋白KRAS，

今天许多蛋白质基本上不可药用，因为它们没有那些明显的小分子结合位点。

-Michael Gilman，Arrakis Therapeutics

但研究人员有几个理由怀疑找到合适的药物。对于初学者来说，特别是RNA-蛋白质编码信使RNA(mRNA)被认为是相对具有延展性的，以不可预测的方式从一种三维构型翻转到另一种三维构型。更重要的是，科学家长期以来认为RNA由于其四核苷酸字母表而具有有限的结构多样性，使得单个序列难以在其结构的基础上选择性地靶向。

这种观点现在开始发生变化。2018年，北卡罗来纳大学教堂山分校的生物医学科学家Kevin Weeks及其同事公布了大肠杆菌的结果，结果显示，单独核苷酸序列可预测的具有复杂结构的RNA比以前更常见(Cell，173：181) -195.E18)。该团队还发现，高度结构化的mRNA显示出比柔性线性mRNA更低的蛋白质表达水平，这表明使用小分子操纵RNA结构确实可以影响蛋白质的产生。

Weeks希望利用RNA的三维结构知识在2014年共同创办的初创公司Ribometrix开发RNA靶向治疗药物。该公司筹集了3000万美元的A系列资金 - 其他许多采取同样措施的公司正在享受类似的投资者利益。例如，去年夏天，总部位于马萨诸塞州的Skyhawk Therapeutics公司开发了一种小分子，用于针对从癌症到神经系统疾病等疾病的错误拼接RNA，获得了6000万美元的预付款，作为与制药公司Celgene的交易的一部分，并提出另外4000万美元的股权投资。其他行业巨头，包括诺华和默克，已经开始开发自己的计划，用小分子药物靶向RNA。

佛罗里达州朱庇特斯克里普斯研究所的化学家，以及总部位于美国佛罗里达州的创业公司Expansion Therapeutics的创始人马特·迪斯尼说：“目标的数量，人们可以通过靶向RNA来解决的疾病数量几乎是不可想象的。”加利福尼亚州圣地亚哥目前正致力于开发小分子药物，以靶向与称为肌强直性营养不良的退行性肌肉疾病有关的突变mRNA。“这几乎应有尽有。”

阻断蛋白质翻译

尽管对于靶向RNA的小分子药物的治疗潜力的兴奋是相对较新的，但是几种阻断特定mRNA的蛋白质翻译的化合物已经在市场上出现了一段时间。天然存在的抗生素如四环素，大环内酯类和氨基糖苷类，以及合成的恶唑烷酮，通过破坏细菌核糖体的功能起作用 - 细菌核糖体是mRNA翻译成蛋白质的位点 - 蛋白质本身由RNA组成。细菌核糖开关，mRNA分子中的非编码结构，通过与代谢物和离子的结合来调节基因表达，已成功地使用小分子如默克的ribocil进行靶向。然而，细菌对这些分子的抗性的迅速出现阻碍了临床的进展。

许多研究人员将这些与RNA结合的小分子病例视为异常值。然后，几年前，有两个具有里程碑意义的发现：制药巨头诺华公司的科学家，后来罗氏公司 - 后者与PTC Therapeutics合作 - 独立开发了类似的小分子药物，用于治疗脊髓性肌萎缩症(SMA) ，一种疾病，通常由SMN2RNA转录本的错误剪接引起基因。分别通过高通量筛选技术发现了两种化合物，即Branaplam和risdiplam，这些技术未经过特别调整以寻找RNA靶向分子。但后来发现这些药物通过稳定前mRNA分子来修复错误的剪接模式，确保基因的外显子7(通常在SMA患者中被跳过)被保留。这些药物目前在2期临床试验中表现良好。

非编码RNA也经常与疾病的发展有关，为靶向RNA的小分子药物提供了一系列可能的靶标。

这两种药物的进步使研究人员希望找到小分子来阻止疾病促进蛋白的表达。“如果它们获得批准，那将是RNA靶向领域的一项里程碑式的成就，”迪士尼说。

现在有几家公司的目标是直接用小分子靶向mRNA，这些小分子可以通过物理防止核糖体的翻译或通过从细胞内募集核酸酶来分解特定的转录物来阻止蛋白质的产生。以这些方式成功靶向mRNA“通过使蛋白质在完全合成之前被靶向，将改变药物发现的面貌，”Weeks在一封电子邮件中写道。例如，Ribometrix和Arrakis的研究人员告诉The Scientist他们正在寻找可以结合致癌转录因子(如c-Myc)mRNA的小分子，尽管有关药物这类高分子RNA的成功尚未见报道。

但肿瘤学有很多其他mRNA靶点可供选择。例如，2014年，由生物化学家Thomas Hermann领导的加利福尼亚大学圣地亚哥分校的研究人员发现了一种潜在的治疗目标，即编码胸苷酸合成酶的mRNA，这种酶可以对某些化疗药物产生抗药性(BiosciRep，34：e00168) )。

胸苷酸合成酶是一种自我调节蛋白 - 在人类中首次发现 - 它可以结合自身mRNA上的小发夹结构来抑制翻译。之前为Arrakis提供咨询的Hermann希望用小分子靶向这种发夹可以抑制酶的产生，尽管到目前为止还没有找到针对该发夹的有效小分子药物。

随着越来越多地使用大规模筛选和转录组测序技术，这些方法的潜在目标数量正在迅速扩大。吉尔曼说，除了专注于众所周知的致癌蛋白产品仍然令人沮丧地无法抗拒之外，几家公司正在研究如何靶向新型疾病相关基因的mRNA产物，即使他们的作用方式知之甚少。(Arrakis不会透露它正在探索的具体目标。)“我们实际上并不需要了解它们靶向mRNA的功能。”

靶向非编码RNA

这不仅仅是受到药物开发者兴趣的mRNA。调节翻译，RNA剪接和基因表达的非编码RNA也经常涉及癌症和其他疾病的发展，为RNA靶向小分子药物提供了一系列新的可能性。

例如，2015年，迪斯尼集团报告发现了一种小分子，可以选择性地结合并抑制miR-544，这是一种参与乳腺癌发展的microRNA(ACS Chem Biol，10：2267-276)。当突变时，这种microRNA沉默哺乳动物的雷帕霉素(mTOR)蛋白靶，使乳腺癌细胞能够在肿瘤深处的低氧环境中存活。小分子能够逆转乳腺肿瘤细胞对缺氧的适应性生理反应，因此低氧在体外和小鼠中引发细胞凋亡。两年后，迪士尼及其同事报告成功药物miR-210，这与乳腺癌和前列腺肿瘤的缺氧反应有关(J Am Chem Soc)，139：3446-455)。迪士尼表示他的团队仍在致力于靶向miR-544和miR-210，希望最终将这些异常miRNA的小分子药物带到诊所。

另一个有希望的靶标是miR-21，一种负责抑制许多肿瘤抑制性磷酸酶的RNA。该RNA与乳腺癌，卵巢癌，宫颈癌，结肠癌，肺癌，肝癌，脑癌，食道癌，前列腺癌，胰腺癌和甲状腺癌有关。2016年，西雅图华盛顿大学的生物物理化学家Gabriele Varani及其同事报告了一种工程化的RNA结合蛋白，该蛋白靶向前体分子pre-miR-21并阻止其加工成成熟的致癌miRNA(Nat Chem Biol，12：717-23)。Varani已经成立了一家公司，帮助他开展商业工作，但他指出，它仍处于投资寻求阶段。

虽然RNA生物学非常引人注目且非常令人兴奋，但它与其他一些具有更多传统靶点的治疗领域的生物学相比也远没有那么成熟。

-Thomas Hermann

加州大学圣地亚哥分校

迪士尼及其同事发现至少一种经批准的抗癌小分子药物可作用于pre-miR-21，从而阻止pre-miRNA的成熟并逆转乳腺癌细胞系中的转移表型。在今年2月，该团队宣布再次成功靶向致癌miRNA的前体 - 这次是miR-515，一种使乳腺癌细胞对抗癌药物赫赛汀有抗药性的microRNA。他们发现了一种小分子，它与pre-miR-515结合并抑制其成熟，恢复了实验室对乳腺癌细胞中赫赛汀的敏感性(J Am Chem Soc，141：2960-974)。

另一种方法是通过使用招募细胞自身RNA降解机制的小分子药物，特别是称为核糖核酸酶的酶来解除错误的非编码RNA。2018年，迪士尼实验室报告发现了一种与miR-96结合的小分子，miR-96是一种通过抑制促凋亡转录因子FOXO1促进肿瘤发展的microRNA。一旦结合，该药物吸引细胞核糖核酸酶RNA酶L以切割miRNA。在实验室中，用名为Targaprimir-96的分子进行治疗，在癌症但不健康的乳腺上皮细胞中引发细胞死亡(J Am Chem Soc，140：6741-744)。

RNA靶向小分子药物的前进道路

尽管有炒作，专家告诉科学家，任何新的以RNA为目标的小分子药物都必须等待临床试验，尽管它们的长期预测不同，这表明它可能只需要2年甚至15年让这些药物到达患者。“这不会在一夜之间变革，”休斯顿德克萨斯大学安德森癌症中心的肿瘤学家David Hong说，他经常为制药行业提供咨询并获得研究经费。但“我认为技术将继续变得更好。”

即使有足够的时间，也不一定从这里顺利航行。对于初学者来说，该领​​域的相对不成熟使得难以预测哪些小分子在生物体中施用时将对功能产生期望的效果，使得该区域中的药物发现成为特别漫长且昂贵的过程。

赫尔曼说：“虽然RNA生物学非常引人注目且非常令人兴奋，但它与其他一些具有更传统靶点的治疗领域的生物学相比还远没有那么成熟。”一旦化合物进入诊所，可能会有更多的惊喜。。。因为我们对这些化合物的副作用和脱靶效应知之甚少。“

华盛顿大学的瓦拉尼分享了赫尔曼的担忧。“我担心目标验证

- 对于这些RNA中的一些实际上是否会像一些细胞和体内数据所表明的那样对患者有益，”他说。

然而，迪士尼认为，以RNA为目标的小分子最终将成为医生在肿瘤学医学工具包以及治疗许多神经，炎症，免疫和传染病方面的关键部分。在接下来的十年中，对于“每个大型制药公司来说，如果他们没有一种以RNA为目标的小分子，那么他们的管道就会出现差距。”