Szczepionka mRNA firmy Pfizer na COVID ponownie rozpaliła pasję do wykorzystywania kwasu rybonukleinowego (RNA) jako celu terapeutycznego.Jednak celowanie w RNA za pomocą małych cząsteczek jest niezwykle trudne.

RNA ma tylko cztery bloki budulcowe: adeninę (A), cytozynę (C), guaninę (G) i uracyl (U), który zastępuje tyminę (T) znajdującą się w DNA.To sprawia, że ​​selektywność leków jest przeszkodą prawie nie do pokonania.W przeciwieństwie do tego, istnieje 22 naturalnych aminokwasów, które tworzą białka, co wyjaśnia, dlaczego większość leków ukierunkowanych na białka ma stosunkowo dobrą selektywność.

Struktura i funkcja RNA

Podobnie jak białka, cząsteczki RNA mają struktury drugorzędowe i trzeciorzędowe, jak pokazano na poniższym rysunku.Chociaż są to makrocząsteczki jednołańcuchowe, ich drugorzędowa struktura nabiera kształtu, gdy parowanie zasad powoduje wybrzuszenia, pętle i helisy.Następnie trójwymiarowe fałdowanie prowadzi do trzeciorzędowej struktury RNA, która jest niezbędna dla jego stabilności i funkcji.

Rycina 1. Struktura RNA

Istnieją trzy rodzaje RNA:

• Komunikator RNA (mRNA)dokonuje transkrypcji informacji genetycznej z DNA i jest przenoszona jako sekwencja zasad na rybosom;l
• Rybosomalny RNA (rRNA)jest częścią organelli syntetyzujących białka zwanych rybosomami, które są eksportowane do cytoplazmy i pomagają tłumaczyć informacje zawarte w mRNA na białka;
• Transfer RNA (tRNA)jest łącznikiem między mRNA a łańcuchem aminokwasowym, z którego składa się białko.

Celowanie w RNA jako cel terapeutyczny jest bardzo atrakcyjne.Stwierdzono, że tylko 1,5% naszego genomu jest ostatecznie tłumaczone na białko, podczas gdy 70%-90% jest transkrybowane na RNA.Cząsteczki RNA są najważniejsze dla wszystkich żywych organizmów.Zgodnie z „głównym dogmatem” Francisa Cricka, najważniejszą rolą RNA jest tłumaczenie informacji genetycznej z DNA na białka.Poza tym cząsteczki RNA pełnią również inne funkcje, w tym:

• Działając jako cząsteczki adaptorowe w syntezie białek;l
• Służy jako posłaniec między DNA a rybosomem;l
• Są nośnikami informacji genetycznej we wszystkich żywych komórkach;l
• Promowanie selekcji rybosomalnej właściwych aminokwasów, które są niezbędne do syntezy nowych białekna żywo.

Antybiotyki

Mechanizm działania wielu antybiotyków, mimo że został odkryty już w latach czterdziestych XX wieku, został wyjaśniony dopiero pod koniec lat osiemdziesiątych.Stwierdzono, że duża część antybiotyków działa poprzez wiązanie się z rybosomami bakteryjnymi, aby uniemożliwić im wytwarzanie odpowiednich białek, zabijając w ten sposób bakterie.

Na przykład antybiotyki aminoglikozydowe wiążą się z miejscem A 16S rRNA, które jest częścią podjednostki 30S rybosomu, a następnie zakłócają syntezę białek, zakłócając wzrost bakterii, ostatecznie prowadząc do śmierci komórki.Miejsce A odnosi się do miejsca aminoacylowego, znanego również jako miejsce akceptorowe tRNA.Szczegółowe interakcje między lekami aminoglikozydowymi, takimi jakparomomycynai miejsce AE coliRNA przedstawiono poniżej.

Rycina 2. Interakcja między paromomycyną a miejscem AE coliRNA

Niestety, wiele inhibitorów miejsca A, w tym leki aminoglikozydowe, ma problemy z bezpieczeństwem, takie jak nefrotoksyczność, zależna od dawki i specyficzna nieodwracalna ototoksyczność.Te toksyczności są wynikiem braku selektywności leków aminoglikozydowych do rozpoznawania małych cząsteczek RNA.

Jak pokazano na poniższym rysunku: (a) struktura bakterii, (b) błona komórkowa człowieka i (c) ludzkie mitochondrialne miejsce A są bardzo podobne, co powoduje, że inhibitory miejsca A wiążą się z nimi wszystkimi.

Rycina 3. Wiązanie nieselektywnego inhibitora miejsca A

Antybiotyki tetracyklinowe hamują również miejsce A rRNA.Selektywnie hamują syntezę białek bakteryjnych poprzez odwracalne wiązanie się z regionem helikalnym (H34) na podjednostce 30S skompleksowanej z Mg²⁺.

Z drugiej strony antybiotyki makrolidowe wiążą się w pobliżu miejsca wyjścia (miejsce E) bakteryjnego tunelu rybosomalnego dla powstających peptydów (NPET) i częściowo je blokują, hamując w ten sposób syntezę białek bakteryjnych.Wreszcie antybiotyki oksazolidynowe, takie jaklinezolid(Zyvox) wiążą się z głęboką szczeliną w bakteryjnej podjednostce 50S rybosomu, która jest otoczona nukleotydami 23S rRNA.

oligonukleotydy antysensowne (ASO)

Leki antysensowne to chemicznie modyfikowane polimery kwasów nukleinowych, których celem jest RNA.Opierają się na parowaniu zasad Watsona-Cricka, aby związać się z docelowym mRNA, co skutkuje wyciszeniem genów, blokadą steryczną lub zmianą splicingu.ASO mogą oddziaływać z pre-RNA w jądrze komórkowym i dojrzałymi mRNA w cytoplazmie.Mogą atakować egzony, introny i regiony nieulegające translacji (UTR).Do tej pory FDA zatwierdziło kilkanaście leków ASO.

Rysunek 4. Technologia antysensowna

Leki małocząsteczkowe celujące w RNA

W 2015 roku Novartis poinformował, że odkrył regulator splicingu SMN2 o nazwie Branaplam, który wzmacnia asocjację pre-mRNA U1 i ratuje myszy SMA.

Z drugiej strony Risdiplam firmy PTC/Roche (Evrysdi) został zatwierdzony przez FDA w 2020 r. do leczenia SMA.Podobnie jak Branaplam, Risdiplam działa również poprzez regulację składania odpowiednich genów SMN2 w celu wytworzenia funkcjonalnych białek SMN.

degradatory RNA

RBM oznacza białko motywu wiążącego RNA.Zasadniczo indolosulfonamid jest klejem molekularnym.Selektywnie rekrutuje RBM39 do ligazy ubikwitynowej CRL4-DCAF15 E3, promując poliubikwitynację RBM39 i degradację białek.Wyczerpanie genetyczne lub degradacja RBM39 za pośrednictwem sulfonamidów indukuje znaczące nieprawidłowości splicingu w całym genomie, ostatecznie prowadząc do śmierci komórki.

RNA-PROTAC opracowano w celu degradacji białek wiążących RNA (RBP).PROTAC wykorzystuje linker do połączenia ligandu ligazy E3 z ligandem RNA, który wiąże się z RNA i RBP.Ponieważ RBP zawiera domeny strukturalne, które mogą wiązać się z określonymi sekwencjami oligonukleotydowymi, RNA-PROTAC wykorzystuje sekwencję oligonukleotydową jako ligand dla białka będącego przedmiotem zainteresowania (POI).Końcowym rezultatem jest degradacja RBP.

Niedawno profesor Matthew Disney z Scripps Institution of Oceanography wynalazł RNAchimery celujące w rybonukleazę (RiboTAC).RiboTAC jest heterofunkcyjną cząsteczką, która łączy ligand RNazy L i ligand RNA za pomocą łącznika.Może specyficznie rekrutować endogenną RNazę L do określonych celów RNA, a następnie skutecznie eliminować RNA za pomocą mechanizmu rozkładu komórkowych kwasów nukleinowych (RNazy L).

W miarę jak naukowcy dowiadują się więcej o interakcjach między małymi cząsteczkami a celami RNA, w przyszłości pojawi się więcej leków wykorzystujących tę metodę.