轉載 | 靶向RNA的小分子藥物研發領域已準備迎接爆發

當諾華 (Novartis) 公司將治療脊髓性肌萎縮（spinal muscular atrophy, SMA）的在研新藥LMI070推進臨床試驗時，這一小分子的臨床前研究數據給他們帶來了一個驚喜。LMI070是通過表型篩選（phenotypic screen）發現的，但是研究人員很長時間無法找到它提高運動神經元生存蛋白（survival motor neuron protein, SMN）表達量的原因。SMN的缺失是造成SMA的原因。而研究數據表明LMI070是通過與RNA靶點相結合這一意想不到的機制發生作用的。

“這令我非常驚訝，”諾華公司神經科學組罕見病的負責人Rajeev Sivasankaran博士說。他的團隊發現LMI070與細胞的剪接機制和SMN2基因生成的mRNA前體（pre-mRNA）相結合，從而調節外顯子剪接并且增強功能蛋白的生成。“大家都非常興奮，因為我們發現了一個用小分子有選擇性地靶向剪接過程的創新機制”，他說。

這一藥物現在處于治療SMA的臨床2期試驗中，它代表了使用小分子靶向RNA靶點的前沿。小分子可以用來靶向多個RNA靶點，其中包括RNA復合體、mRNA和非編碼RNA。默沙東（MSD）和輝瑞（Pfizer）公司也各自獨立地通過表型篩選發現了靶向RNA的小分子，因而它們也開始增強對這一領域的探索力度。而包括Arrakis Therapeutics和Ribometrix在內的最近成立的生物技術公司，則專注于找出如何利用這一前沿科學的成果來靶向用其它方法無法成藥的靶點。

▲ Matt Disney博士（圖片來源：Scripps Research Institute官網）

對于佛羅里達Scripps研究所（Scripps Research Institute）的Matt Disney博士來說，這代表著對他多年研究的肯定。Disney博士是利用小分子靶向RNA靶點領域的先驅，以前他在科學會議上發布自己的研究成果時經常會跟著名的科學家們展開激烈的爭論。因為這些科學家們認為有選擇性地靶向RNA的藥物是不可能成功的?！疤拱椎恼f，好幾次在跟他們討論的過程中我敗下陣來。因為他們是我非常尊重的科學家，現在仍然如此?！彼f。但是在今年9月，在紐約科學院（New York Academy of Sciences，NYAS）舉行的第一屆用小分子靶向RNA的專題會議吸引了超過200名來自學術界和工業界的與會者。“最值得我驕傲的一件事是我們終于提供了足夠的數據來表明通過靶向RNA成藥是可能的！”

小分子靶向RNA的先驅案例

幾十年前，研究傳染病的科學家們就知道小分子可以調控RNA靶點。挽救人們生命的慶大霉素（gentamicin）和鏈霉素（streptomycin）這類氨基糖苷類藥物通過抑制細菌核糖體的功能來抑制蛋白合成。核糖體是由核糖體RNA和蛋白構建成的分子機器。

核糖體是一個大的復合體，它在結構上有很多裂縫和口袋能夠讓小分子與它相結合。核糖體RNA表達量非常高，而且在所有細胞中都表達，這讓它容易成為小分子的靶點。而這些相對容易的RNA靶點讓人們看到靶向RNA可能帶來意想不到的機遇。例如，輝瑞公司無意中發現了一種能夠與人類核糖體相結合的小分子。它能夠有選擇地與PCSK9轉錄生成的初始多肽鏈相結合，從而阻止PCSK9蛋白的合成。

后續研究發現，像mRNA或非編碼RNA這樣復雜結構較少的RNA也可以成為靶點。默沙東公司在幾年前設計了一個基于信號通路的表型篩選實驗，試圖發現能夠關閉核黃素（riboflavin）合成，從而抑制細菌生長的小分子。這項實驗篩選出一個稱為ribocil的小分子，它能夠與稱為riboswitch的非編碼RNA結構單元相結合，從而降低細菌mRNA的轉譯過程，減少核黃素的合成并且抑制細胞生長。

這一項目的臨床前研究發現細菌可以很快對ribocil產生抗性，所以研究沒有繼續下去。但是默沙東的藥物發現人員能夠幾乎像進行傳統小分子篩選項目一樣針對RNA靶點優化小分子先導化合物，這一領悟讓默沙東擴展了對這一領域的投入。

“我們不只專注于一類RNA或者一個疾病領域，我們在非常廣泛地探索這個領域。”默沙東的博士后研究員 Noreen Rizvi博士說。她負責評估靶向不同RNA靶點的技術可行性和可能帶來的潛在機遇?！?span style="color: rgb(21, 52, 64);box-sizing: border-box;">目前為止我們已經從不同的生物學領域中找出了超過40個不同的RNA靶點，”她說：“我們正在開發不同的技術來探索RNA領域和轉錄子組?！?/p>

▲ Noreen Rizvi博士（圖片來源：默沙東官網）

當諾華、輝瑞和默沙東通過表型篩選的這條路碰到它們的第一個調節RNA的小分子化合物時，其它研究人員已經開始采用定向發現的策略。例如Disney博士已經開發出一種篩選策略，可以從非編碼RNA庫和小分子庫中篩選出能夠產生強力相互作用的小分子和非編碼RNA。這項研究的主要目標是幫助理解小分子和RNA之間相互作用的特性，如果他的發現能夠用于醫療則是錦上添花。

這項研究讓他發現了一個名為targaprimir-96的小分子，它可以與microRNA-96的前體（pri-miR-96）相結合。pri-miR-96經過RNA突變生成miR-96，它是一種致癌的miRNA，能夠降低FOXO1的活性，對導致乳腺癌有重要作用。Targaprimir-96通過與pri-miR-96的結合，阻斷miR-96的生成，提高FOXO1活性并且在腫瘤細胞中可以導致細胞凋亡的發生。

同樣的策略讓Disney 博士的團隊發現了targapremir-210，這一小分子能夠調節miR-210的生成，它可以通過缺氧誘導因子 (hypoxia inducible factor, HIF) 信號通路在三陰性乳腺癌細胞中增加細胞凋亡的發生。

“這項結果終于徹底說服人們從醫療角度來說靶向RNA是一件理所應當的事情，”北卡羅來納大學（University of North Carolina，UNC）的RNA科學家和Ribometrix公司的聯合創始人Kevin Weeks博士說。

▲Kevin Weeks博士（圖片來源：UNC）

如今Disney教授在對這些化合物進行先導物優化實驗，同時他也在與生物技術公司合作，試圖通過靶向其它RNA發現創新藥物。

RNA靶點的評估

雖然已有的研究結果對小分子靶向RNA作出了概念證明（proof of principle），但是這一領域仍然需要面對很多未被解決的問題。

其中一個重要問題是如何對RNA靶點進行分類和評估。有些RNA有更好的成藥性，研究人員需要找出他們應該在哪些RNA上投入更多的精力。目前選擇RNA的初步指南開始成形?！叭绻闾匾鈱ふ襌NA中那些產生復雜結構的區域，它們也更有可能產生能夠被靶向的特殊結構，”Weeks博士說。他已經開發出一種化學和生物信息學手段來評估RNA結構。

但是小分子同時需要產生生物效果，Arrakis公司的首席執行官Michael Gilman博士說。Arrakis公司今年早些時候完成了金額為3800萬美元的A輪融資，其中包括輝瑞和Celgene公司的支持。通常藥物研發人員發現小分子能夠與蛋白的活性位點相結合時，他們比較肯定這些小分子會有一定作用。但是RNA靶點通常沒有“活性位點”，這一研究領域需要發現其它可靠的方法來預測什么時候小分子與RNA的結合能夠對生物功能產生影響，這可能包括調節RNA折疊、mRNA剪接和核糖體的處理過程。

Arrakis公司藥物開發流程的第一步是利用生物信息學手段，基于預測的結構特征找出RNA靶點。由于這些技術的準確性還沒有得到驗證，研究團隊通常會迅速進行實體實驗來驗證預測是否準確。這些實驗通常從基于蛋白的藥物開發項目流程中改造而來?！皩嵲捳f，我們不知道這些算法是不是正確，”Gilman博士說：“這意味著我們篩選RNA的速度需要遠遠快于通常篩選蛋白的速度?！?br style="box-sizing: border-box;">

明年這家公司計劃進行1000個高通量篩選實驗來發現與RNA靶點結合的候選化合物。他補充說：“我們預計分子結構上能夠與靶點結合的化合物會比較多，但是我們還不知道其中有多少會影響生物功能?！?/p>

在最近的NYAS會議上，研究人員反復回到一個問題上來，那就是經歷了幾十年積累和篩揀，用于靶向蛋白質的化合物庫是否適用于靶向RNA。杜克大學（Duke University）的化學家Amanda Hargrove博士傾向于使用久經考驗的現有化合物庫。她的研究團隊對100種靶向RNA的配體進行了化學信息學分析，結論是這些化合物大多符合現有的醫學化學準則。諾華、默沙東和Arrakis公司的研究人員贊同這一觀點。“我們發現的化合物與從蛋白篩選實驗中發現的化合物并沒有很大的不同，”默沙東公司的Rizvi博士說。這是一件令人放心的事，因為這意味著這些項目在以后的研發過程中在溶解度、細胞滲透性和毒性方面出現問題的風險會減少。

Disney博士并不完全同意。他發現的targaprimir-96并沒有遵守Lipinski五規則（Lipinski's rule of five）。這是一組描述藥物物理化學特性的準則，通常用于評估一個化合物是否能夠成為口服藥物。但是有很多被FDA批準，拯救患者生命的藥物也不滿足這五條規則。而且由于篩選實驗采用的化合物庫可能更傾向于富集符合五規則的化合物，因此通過篩選發現的第一批靶向RNA的化合物也有類似的傾向。“我們應該非常謹慎，不要對藥物的特性存在偏見?！?/strong>Disney博士說。

無限可能?

從醫療領域的角度來說，研究人員開始把研究重心放在幾個有清晰合理性的疾病領域。

腫瘤學是第一位。這一領域中的RAS和MYC蛋白的無法成藥性已經長期阻礙了靶向它們的小分子藥物的開發，研究人員通過靶向RNA可能有更好的成功率。很多非編碼RNA在腫瘤細胞中出現異常，導致蛋白表達圖譜的大幅度改變?！拔覀儾恍枰c靶向蛋白的項目競爭，”Weeks博士總結道：“RNA領域的希望在于那些無法成藥的蛋白和非編碼RNA?！?/strong>

▲RAS蛋白的結構（圖片來源：

同樣的原則在神經疾病中也適用。在這里一個研究重點是攜帶三核苷酸重復（trinucleotide repeats）序列擴增的mRNA。這些序列擴增導致蛋白功能失常。例如在亨廷頓?。℉untington disease）中，在HTT基因和mRNA上出現的CAG擴增會導致有毒蛋白的積累。同時，這些重復序列擴增可能為mRNA添加更多能夠被靶向的二級結構，因此Arrakis和Ribometrix都將HTT mRNA 作為它們的主打研究項目。今年早些時候Disney博士的團隊發現小分子能夠有選擇性地與導致1型強直性肌營養不良（myotonic dystrophy type 1）的重復序列相結合。

諾華公司在LMI070上的進展表明小分子可以用于利用剪接機制調節蛋白，從而治療罕見遺傳疾病。

傳染病也是一個重要的領域，特別是針對細菌核糖體和riboswitch已經取得了成功。Weeks博士領導的團隊已經發現針對登革熱病毒（Dengue Virus）的潛在靶點。

不過對于Disney博士來說，這些領域只是開始。“RNA在生物學中的作用是無限的，”他說：“我幾乎可以想像所有的疾病都被某個RNA控制著?！贝蠖鄶蛋邢虻鞍椎男》肿邮寝卓箘?，它們的作用是降低蛋白活性。而與RNA結合的小分子可能成為功能多樣的藥物。有些可能通過阻斷mRNA轉譯來減弱蛋白活性，而另一些可能通過關閉miRNA的抑制作用來提高蛋白活性。

在某些領域，靶向RNA的小分子將與基于寡聚核苷酸（oligonucleotide）的藥物形成互補。比如Ionis Pharmaceuticals和百?。˙iogen）公司已經獲得FDA批準的nusinersen能與諾華公司的LMI070治療同種疾??；Alnylam Pharmaceuticals 在使用寡聚核苷酸，利用RNA干擾機制來降低蛋白活性；Moderna Therapeutics公司利用醫療mRNA提高蛋白表達的療法正在進行臨床1期試驗。不過小分子的優勢在于它們能夠口服，而且與寡聚核苷酸相比能夠被運送到更多器官中。“我一直在為寡聚核苷酸領域加油鼓勁，”Weeks博士說：“它們為我們的研究策略提供了優秀的概念證明?！?/p>

雖然這一領域還存在著很多挑戰，但是它的美好前景是不容忽視的，Weeks博士說。“從理論角度上講，如果你能夠可靠地靶向RNA，你將為醫療方式帶來重大變革，”他說：“能夠發現一種可重復、可擴展的機制靶向RNA的人將點亮這個世界！”

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參考資料：

[1] Small molecules against RNA targets attract big backers

[2] 《自然》官網

（編輯整理：馬娃妮）

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深圳羅茲曼國際轉化醫學研究院

由美國芝加哥大學微生物、分子基因生物學系和芝加哥大學醫學院的終身教授，美國科學院、醫學院、發明家學院/中國工程院外籍院士伯納德?羅茲曼（Bernard Roizman Sc.D.）創辦，學院重在培養科研人才，在中國進行轉化醫學研究和生物醫藥的研發，并對研究成果進行產業化。

伯納德?羅茲曼（Bernard Roizman Sc.D.）簡介

伯納德?羅茲曼是美國芝加哥大學微生物、分子基因生物學系和芝加哥大學醫學院的終身教授。他畢生從事于單純皰疹病毒的分子生物學研究，擁有“皰疹病毒之父”之稱。羅茲曼終身致力于對皰疹病毒分子生物結構的全方位解讀，在破譯單個病毒基因功能以及部分基因對病毒潛伏感染和激活的作用，以及病毒改造治療癌癥等領域取得重要進展。

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