Pfizers mRNA-vaccin mot COVID har återuppväckt passionen för att använda ribonukleinsyra (RNA) som ett terapeutiskt mål.Att rikta in sig på RNA med små molekyler är dock extremt utmanande.

RNA har bara fyra byggstenar: adenin (A), cytosin (C), guanin (G) och uracil (U) som ersätter tymin (T) som finns i DNA.Detta gör drogselektivitet till ett nästan oöverstigligt hinder.Däremot finns det 22 naturliga aminosyror som utgör proteiner, vilket förklarar varför de flesta proteininriktade läkemedel har relativt god selektivitet.

RNA:s struktur och funktion

Liksom proteiner har RNA-molekyler sekundära och tertiära strukturer, som visas i figuren nedan.Även om de är enkelkedjiga makromolekyler, tar deras sekundära struktur form när basparning orsakar utbuktningar, slingor och helixar.Sedan leder tredimensionell vikning till den tertiära strukturen av RNA, vilket är avgörande för dess stabilitet och funktion.

Figur 1. Struktur av RNA

Det finns tre typer av RNA:

• Messenger RNA (mRNA)transkriberar genetisk information från DNA och överförs som en bassekvens till ribosomen;l
• Ribosomalt RNA (rRNA)är en del av de proteinsyntetiserande organellerna som kallas ribosomer, som exporteras till cytoplasman och hjälper till att översätta information i mRNA till proteiner;
• Överför RNA (tRNA)är länken mellan mRNA och aminosyrakedjan som utgör proteinet.

Att rikta in sig på RNA som ett terapeutiskt mål är mycket attraktivt.Det har visat sig att endast 1,5% av vårt genom i slutändan översätts till protein, medan 70%-90% transkriberas till RNA.RNA-molekyler är de viktigaste för alla levande organismer.Enligt Francis Cricks "centrala dogm" är den mest kritiska rollen för RNA att översätta genetisk information från DNA till proteiner.Dessutom har RNA-molekyler också andra funktioner, inklusive:

• Fungerar som adaptormolekyler i proteinsyntes;l
• Fungerar som en budbärare mellan DNA och ribosomen;l
• De är bärare av genetisk information i alla levande celler;l
• Främjar ribosomalt urval av de korrekta aminosyrorna, vilket är nödvändigt för att syntetisera nya proteinerin vivo.

Antibiotika

Trots att den upptäcktes redan på 1940-talet, klargjordes inte verkningsmekanismen för många antibiotika förrän i slutet av 1980-talet.Det har visat sig att en stor del av antibiotika verkar genom att binda till bakteriella ribosomer för att förhindra dem från att göra lämpliga proteiner och därigenom döda bakterierna.

Till exempel binder aminoglykosidantibiotika till A-stället av 16S rRNA, som är en del av 30S ribosomsubenheten, och stör sedan proteinsyntesen för att störa bakterietillväxt, vilket i slutändan leder till celldöd.A-stället hänvisar till aminoacylstället, även känt som tRNA-acceptorstället.Den detaljerade interaktionen mellan aminoglykosidläkemedel, som t.exparomomycin, och A-platsen förE coliRNA visas nedan.

Figur 2. Interaktionen mellan paromomycin och A-stället förE coliRNA

Tyvärr har många A-ställehämmare, inklusive aminoglykosidläkemedel, säkerhetsproblem som nefrotoxicitet, dosberoende och specifik irreversibel ototoxicitet.Dessa toxiciteter är resultatet av en brist på selektivitet i aminoglykosidläkemedel för att känna igen små RNA-molekyler.

Som visas i figuren nedan: (a) strukturen hos bakterierna, (b) det mänskliga cellmembranet och (c) det mänskliga mitokondriella A-stället är mycket lika, vilket gör att A-ställeshämmare binder till dem alla.

Figur 3. Den icke-selektiva A-ställehämmarbindningen

Tetracyklinantibiotika hämmar också A-stället för rRNA.De hämmar selektivt bakteriell proteinsyntes genom att binda reversibelt till en spiralformad region (H34) på ​​30S-subenheten komplexbunden med Mg²⁺.

Å andra sidan binder makrolidantibiotika nära utgångsstället (E-stället) av den bakteriella ribosomtunneln för begynnande peptider (NPET) och blockerar den delvis, och hämmar därigenom bakteriell proteinsyntes.Slutligen oxazolidinonantibiotika som t.exlinezolid(Zyvox) binder till en djup klyfta i den bakteriella 50S ribosomala subenheten, som är omgiven av 23S rRNA-nukleotider.

Antisensoligonukleotider (ASO)

Antisensläkemedlen är kemiskt modifierade nukleinsyrapolymerer som riktar sig mot RNA.De förlitar sig på Watson-Crick-basparning för att binda till mål-mRNA, vilket resulterar i gentystnad, sterisk blockad eller skarvningsförändring.ASO kan interagera med pre-RNA i cellkärnan och mogna mRNA i cytoplasman.De kan rikta in sig på exoner, introner och oöversatta regioner (UTR).Hittills har mer än ett dussin ASO-läkemedel godkänts av FDA.

Figur 4. Antisense-teknik

Läkemedel med små molekyler riktade mot RNA

2015 rapporterade Novartis att de hade upptäckt en SMN2-skarvningsregulator som heter Branaplam, som förbättrar associationen av U1-pre-mRNA och räddar SMA-möss.

Å andra sidan godkändes PTC/Roches Risdiplam (Evrysdi) av FDA 2020 för behandling av SMA.Liksom Branaplam fungerar Risdiplam också genom att reglera splitsningen av relevanta SMN2-gener för att producera funktionella SMN-proteiner.

RNA-nedbrytare

RBM står för RNA-bindande motivprotein.I huvudsak är indolsulfonamid ett molekylärt bindemedel.Den rekryterar selektivt RBM39 till CRL4-DCAF15 E3 ubiquitinligas, vilket främjar RBM39 polyubiquitination och proteinnedbrytning.Genetisk utarmning eller sulfonamidmedierad nedbrytning av RBM39 inducerar betydande genomomfattande splitsningsabnormiteter, vilket i slutändan leder till celldöd.

RNA-PROTACs är utvecklade för att bryta ned RNA-bindande proteiner (RBP).PROTAC använder en länk för att koppla E3-ligasliganden till RNA-liganden, som binder till RNA och RBP.Eftersom RBP innehåller strukturella domäner som kan binda till specifika oligonukleotidsekvenser, använder RNA-PROTAC en oligonukleotidsekvens som en ligand för proteinet av intresse (POI).Det slutliga resultatet är nedbrytningen av RBP.

Nyligen uppfann professor Matthew Disney vid Scripps Institution of Oceanography RNA:tribonukleasinriktade chimärer (RiboTAC).RiboTAC är en heterofunktionell molekyl som förbinder en RNase L-ligand och en RNA-ligand med en linker.Det kan specifikt rekrytera endogent RNas L till specifika RNA-mål och sedan framgångsrikt eliminera RNA med hjälp av den cellulära nukleinsyranedbrytningsmekanismen (RNase L).

När forskare lär sig mer om interaktionen mellan små molekyler och RNA-mål kommer fler läkemedel som använder denna metod att dyka upp i framtiden.