深度长文:靶向 RNA,新领域已准备迎接爆发

编者按: 一直以来,学术界普遍不认可用分子来靶向特定的 RNA 结构。由于一小众科学家的坚持不懈的努力,终于使“RNA 靶标的不可成药性”的说法受到动摇。近日,《Nature Reviews Drug Discovery》杂志在线发表了一篇综述文章,讲诉了靶向 RNA 的小分子药物研发吸引了众多大型药企的青睐,并且孵育出许多初创的生物公司。该领域已经准备好迎接爆发式增长。

当诺华 (Novartis) 公司将治疗脊髓性肌萎缩(spinal muscular atrophy, SMA)的在研新药 LMI070 推进临床试验时,这一小分子的临床前研究数据给他们带来了一个惊喜。LMI070 是通过表型筛选(phenotypic screen)发现的,但是研究人员很长时间无法找到它提高运动神经元生存蛋白(survival motor neuron protein, SMN)表达量的原因。SMN 的缺失是造成 SMA 的原因。而研究数据表明 LMI070 是通过与 RNA 靶点相结合这一意想不到的机制发生作用的。

“这令我非常惊讶,”诺华公司神经科学组罕见病的负责人 Rajeev Sivasankaran 博士说。他的团队发现 LMI070 与细胞的剪接机制和 SMN2 基因生成的 mRNA 前体(pre-mRNA)相结合,从而调节外显子剪接并且增强功能蛋白的生成。“大家都非常兴奋,因为我们发现了一个用小分子有选择性地靶向剪接过程的创新机制”,他说。

这一药物现在处于治疗 SMA 的临床 2 期试验中,它代表了使用小分子靶向 RNA 靶点的前沿。小分子可以用来靶向多个 RNA 靶点,其中包括 RNA 复合体、mRNA 和非编码 RNA。默沙东(MSD)和辉瑞(Pfizer)公司也各自独立地通过表型筛选发现了靶向 RNA 的小分子,因而它们也开始增强对这一领域的探索力度。而包括 Arrakis Therapeutics 和 Ribometrix 在内的最近成立的生物技术公司,则专注于找出如何利用这一前沿科学的成果来靶向用其它方法无法成药的靶点。

▲ Matt Disney 博士(图片来源:Scripps Research Institute 官网)

对于佛罗里达 Scripps 研究所(Scripps Research Institute)的 Matt Disney 博士来说,这代表着对他多年研究的肯定。Disney 博士是利用小分子靶向 RNA 靶点领域的先驱,以前他在科学会议上发布自己的研究成果时经常会跟著名的科学家们展开激烈的争论。因为这些科学家们认为有选择性地靶向 RNA 的药物是不可能成功的。“坦白的说,好几次在跟他们讨论的过程中我败下阵来。因为他们是我非常尊重的科学家,现在仍然如此。”他说。但是在今年 9 月,在纽约科学院(New York Academy of Sciences,NYAS)举行的第一届用小分子靶向 RNA 的专题会议吸引了超过 200 名来自学术界和工业界的与会者。“最值得我骄傲的一件事是我们终于提供了足够的数据来表明通过靶向 RNA 成药是可能的!”

小分子靶向 RNA 的先驱案例

几十年前,研究传染病的科学家们就知道小分子可以调控 RNA 靶点。挽救人们生命的庆大霉素(gentamicin)和链霉素(streptomycin)这类氨基糖苷类药物通过抑制细菌核糖体的功能来抑制蛋白合成。核糖体是由核糖体 RNA 和蛋白构建成的分子机器。

核糖体是一个大的复合体,它在结构上有很多裂缝和口袋能够让小分子与它相结合。核糖体 RNA 表达量非常高,而且在所有细胞中都表达,这让它容易成为小分子的靶点。而这些相对容易的 RNA 靶点让人们看到靶向 RNA 可能带来意想不到的机遇。例如,辉瑞公司无意中发现了一种能够与人类核糖体相结合的小分子。它能够有选择地与 PCSK9 转录生成的初始多肽链相结合,从而阻止 PCSK9 蛋白的合成。

后续研究发现,像 mRNA 或非编码 RNA 这样复杂结构较少的 RNA 也可以成为靶点。默沙东公司在几年前设计了一个基于信号通路的表型筛选实验,试图发现能够关闭核黄素(riboflavin)合成,从而抑制细菌生长的小分子。这项实验筛选出一个称为 ribocil 的小分子,它能够与称为 riboswitch 的非编码 RNA 结构单元相结合,从而降低细菌 mRNA 的转译过程,减少核黄素的合成并且抑制细胞生长。

这一项目的临床前研究发现细菌可以很快对 ribocil 产生抗性,所以研究没有继续下去。但是默沙东的药物发现人员能够几乎像进行传统小分子筛选项目一样针对 RNA 靶点优化小分子先导化合物,这一领悟让默沙东扩展了对这一领域的投入。

“我们不只专注于一类 RNA 或者一个疾病领域,我们在非常广泛地探索这个领域。”默沙东的博士后研究员 Noreen Rizvi 博士说。她负责评估靶向不同 RNA 靶点的技术可行性和可能带来的潜在机遇。“目前为止我们已经从不同的生物学领域中找出了超过 40 个不同的 RNA 靶点,”她说:“我们正在开发不同的技术来探索 RNA 领域和转录子组。”

▲ Noreen Rizvi 博士(图片来源:默沙东官网)

当诺华、辉瑞和默沙东通过表型筛选的这条路碰到它们的第一个调节 RNA 的小分子化合物时,其它研究人员已经开始采用定向发现的策略。例如 Disney 博士已经开发出一种筛选策略,可以从非编码 RNA 库和小分子库中筛选出能够产生强力相互作用的小分子和非编码 RNA。这项研究的主要目标是帮助理解小分子和 RNA 之间相互作用的特性,如果他的发现能够用于医疗则是锦上添花。

这项研究让他发现了一个名为 targaprimir-96 的小分子,它可以与 microRNA-96 的前体(pri-miR-96)相结合。pri-miR-96 经过 RNA 突变生成 miR-96,它是一种致癌的 miRNA,能够降低 FOXO1 的活性,对导致乳腺癌有重要作用。Targaprimir-96 通过与 pri-miR-96 的结合,阻断 miR-96 的生成,提高 FOXO1 活性并且在肿瘤细胞中可以导致细胞凋亡的发生。

同样的策略让 Disney 博士的团队发现了 targapremir-210,这一小分子能够调节 miR-210 的生成,它可以通过缺氧诱导因子 (hypoxia inducible factor, HIF) 信号通路在三阴性乳腺癌细胞中增加细胞凋亡的发生。

“这项结果终于彻底说服人们从医疗角度来说靶向 RNA 是一件理所应当的事情,”北卡罗来纳大学(University of North Carolina,UNC)的 RNA 科学家和 Ribometrix 公司的联合创始人 Kevin Weeks 博士说。

▲Kevin Weeks 博士(图片来源:UNC)

如今 Disney 教授在对这些化合物进行先导物优化实验,同时他也在与生物技术公司合作,试图通过靶向其它 RNA 发现创新药物。

RNA 靶点的评估

虽然已有的研究结果对小分子靶向 RNA 作出了概念证明(proof of principle),但是这一领域仍然需要面对很多未被解决的问题。

其中一个重要问题是如何对 RNA 靶点进行分类和评估。有些 RNA 有更好的成药性,研究人员需要找出他们应该在哪些 RNA 上投入更多的精力。目前选择 RNA 的初步指南开始成形。“如果你特意寻找 RNA 中那些产生复杂结构的区域,它们也更有可能产生能够被靶向的特殊结构,”Weeks 博士说。他已经开发出一种化学和生物信息学手段来评估 RNA 结构。

但是小分子同时需要产生生物效果,Arrakis 公司的首席执行官 Michael Gilman 博士说。Arrakis 公司今年早些时候完成了金额为 3800 万美元的 A 轮融资,其中包括辉瑞和 Celgene 公司的支持。通常药物研发人员发现小分子能够与蛋白的活性位点相结合时,他们比较肯定这些小分子会有一定作用。但是 RNA 靶点通常没有“活性位点”,这一研究领域需要发现其它可靠的方法来预测什么时候小分子与 RNA 的结合能够对生物功能产生影响,这可能包括调节 RNA 折叠、mRNA 剪接和核糖体的处理过程。

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Arrakis 公司药物开发流程的第一步是利用生物信息学手段,基于预测的结构特征找出 RNA 靶点。由于这些技术的准确性还没有得到验证,研究团队通常会迅速进行实体实验来验证预测是否准确。这些实验通常从基于蛋白的药物开发项目流程中改造而来。“实话说,我们不知道这些算法是不是正确,”Gilman 博士说:“这意味着我们筛选 RNA 的速度需要远远快于通常筛选蛋白的速度。”

明年这家公司计划进行 1000 个高通量筛选实验来发现与 RNA 靶点结合的候选化合物。他补充说:“我们预计分子结构上能够与靶点结合的化合物会比较多,但是我们还不知道其中有多少会影响生物功能。”

在最近的 NYAS 会议上,研究人员反复回到一个问题上来,那就是经历了几十年积累和筛拣,用于靶向蛋白质的化合物库是否适用于靶向 RNA。杜克大学(Duke University)的化学家 Amanda Hargrove 博士倾向于使用久经考验的现有化合物库。她的研究团队对 100 种靶向 RNA 的配体进行了化学信息学分析,结论是这些化合物大多符合现有的医学化学准则。诺华、默沙东和 Arrakis 公司的研究人员赞同这一观点。“我们发现的化合物与从蛋白筛选实验中发现的化合物并没有很大的不同,”默沙东公司的 Rizvi 博士说。这是一件令人放心的事,因为这意味着这些项目在以后的研发过程中在溶解度、细胞渗透性和毒性方面出现问题的风险会减少。

Disney 博士并不完全同意。他发现的 targaprimir-96 并没有遵守 Lipinski 五规则(Lipinski’s rule of five)。这是一组描述药物物理化学特性的准则,通常用于评估一个化合物是否能够成为口服药物。但是有很多被 FDA 批准,拯救患者生命的药物也不满足这五条规则。而且由于筛选实验采用的化合物库可能更倾向于富集符合五规则的化合物,因此通过筛选发现的第一批靶向 RNA 的化合物也有类似的倾向。“我们应该非常谨慎,不要对药物的特性存在偏见。Disney 博士说。

无限可能

从医疗领域的角度来说,研究人员开始把研究重心放在几个有清晰合理性的疾病领域。

肿瘤学是第一位。这一领域中的 RAS 和 MYC 蛋白的无法成药性已经长期阻碍了靶向它们的小分子药物的开发,研究人员通过靶向 RNA 可能有更好的成功率。很多非编码 RNA 在肿瘤细胞中出现异常,导致蛋白表达图谱的大幅度改变。“我们不需要与靶向蛋白的项目竞争,”Weeks 博士总结道:“RNA 领域的希望在于那些无法成药的蛋白和非编码 RNA。”

▲RAS 蛋白的结构(图片来源:维基百科)

同样的原则在神经疾病中也适用。在这里一个研究重点是携带三核苷酸重复(trinucleotide repeats)序列扩增的 mRNA。这些序列扩增导致蛋白功能失常。例如在亨廷顿病(Huntington disease)中,在 HTT 基因和 mRNA 上出现的 CAG 扩增会导致有毒蛋白的积累。同时,这些重复序列扩增可能为 mRNA 添加更多能够被靶向的二级结构,因此 Arrakis 和 Ribometrix 都将 HTT mRNA 作为它们的主打研究项目。今年早些时候 Disney 博士的团队发现小分子能够有选择性地与导致 1 型强直性肌营养不良(myotonic dystrophy type 1)的重复序列相结合。

诺华公司在 LMI070 上的进展表明小分子可以用于利用剪接机制调节蛋白,从而治疗罕见遗传疾病。

传染病也是一个重要的领域,特别是针对细菌核糖体和 riboswitch 已经取得了成功。Weeks 博士领导的团队已经发现针对登革热病毒(Dengue Virus)的潜在靶点。

不过对于 Disney 博士来说,这些领域只是开始。“RNA 在生物学中的作用是无限的,”他说:“我几乎可以想像所有的疾病都被某个 RNA 控制着。”大多数靶向蛋白的小分子是拮抗剂,它们的作用是降低蛋白活性。而与 RNA 结合的小分子可能成为功能多样的药物。有些可能通过阻断 mRNA 转译来减弱蛋白活性,而另一些可能通过关闭 miRNA 的抑制作用来提高蛋白活性。

在某些领域,靶向 RNA 的小分子将与基于寡聚核苷酸(oligonucleotide)的药物形成互补。比如 Ionis Pharmaceuticals 和百健(Biogen)公司已经获得 FDA 批准的 nusinersen 能与诺华公司的 LMI070 治疗同种疾病;Alnylam Pharmaceuticals 在使用寡聚核苷酸,利用 RNA 干扰机制来降低蛋白活性;Moderna Therapeutics 公司利用医疗 mRNA 提高蛋白表达的疗法正在进行临床 1 期试验。不过小分子的优势在于它们能够口服,而且与寡聚核苷酸相比能够被运送到更多器官中。“我一直在为寡聚核苷酸领域加油鼓劲,”Weeks 博士说:“它们为我们的研究策略提供了优秀的概念证明。”

虽然这一领域还存在着很多挑战,但是它的美好前景是不容忽视的,Weeks 博士说。“从理论角度上讲,如果你能够可靠地靶向 RNA,你将为医疗方式带来重大变革,”他说:“能够发现一种可重复、可扩展的机制靶向 RNA 的人将点亮这个世界!”

参考资料:

[1] Small molecules against RNA targets attract big backers

[2] 《自然》官网

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