靶向RNA的小分子药物 主要研发原则全在这里了！

昨日，专注于开发靶向RNA的小分子药物的生物医药公司Arrakis Therapeutics宣布完成数额为7500万美元的B轮。同时，该公司创始人、总裁兼首席执行官Michael Gilman博士在访谈中披露，该公司的药物发现平台，针对编码着名”不可成药“的致癌蛋白myc的mRNA，已经取得出色的筛选结果。这一新闻将靶向RNA的小分子药物再一次推到了聚光灯下。

图片来源：Arrakis公司官网

那么我们为什么需要开发靶向RNA的小分子药物？发现和开发靶向RNA的小分子药物需要注意些什么问题？最近在这一领域又有什么新的进展？

为什么要开发靶向RNA的小分子药物？

小分子疗法绝大部分的靶标都是蛋白质，这一策略在过去数十年来也带来了大量好药和新药，据估计，接近99%的口服药物靶向的是致病蛋白。然而，这需要小分子药物能够与致病蛋白中的特定位点或“口袋”相结合，而对于大部分（接近85%）的蛋白来说，它们没有适合小分子药物结合的位点。这意味着它们用传统手段“无法成药”。

而且，蛋白只占了基因组信息的极少部分。人类的基因组中，只有1.5%的序列编码了蛋白质，和疾病相关的蛋白更是只占其中的10-15%。毫无疑问，如果小分子药物的靶点能超越蛋白质，将给新药研发带来新的变革。

靶向RNA，将给我们带来更多的成药选择（图片来源：参考资料[8]）

RNA就是这样一种潜在的靶点。在正常细胞中，RNA有着重要的生理功能——mRNA携带了基因的遗传信息，指导蛋白质的合成；非编码RNA则调控基因的表达。靶向RNA有着多种好处：由于处于蛋白质的上游，靶向RNA有望直接对蛋白质的翻译效率进行上调或下调，解决蛋白“不可成药”的难题；RNA在人类基因组中极为丰富，产生非编码RNA的序列更是占到了基因组的70%，丰度比编码蛋白质的序列高出一个数量级；而近期一些概念验证性试验的成功，也让我们看到了希望。

开发靶向RNA的小分子药物的原则

根据《Nature Reviews Drug Discovery》 上的一篇综述，目前靶向RNA的小分子药物根据靶向的RNA结构，可以被分为三大类，它们分别靶向RNA中：

多个密集螺旋结构（multiple closely packed helices）

不规则的二级结构（irregular and usually bulge-containing secondary structures）

或是三联体重复序列（triplet repeats）

第一类药物中已经出现了多种候选化合物，包括四种分子——linezolid、ribocil、branaplam、以及SMA-C5。这些分子“靶向了复杂的RNA结构模块，且每一个均有很高的QED（quantitative estimate of drug-likeness）分值”，表明其具有潜在的成药潜力。值得一提的是，这些分子都是通过表型筛选找到的结果，之后才被确认具有RNA结合的属性。因此，尽管它们开了一个RNA靶向新药研发的好头，但我们尚无法从中推导出明确的RNA靶向方针。

第一类药物中已彰显出潜力的四款分子（图片来源：参考资料[8]）

在另两类药物中，研究人员们最初的筛选过程，就是为了找到能靶向RNA的小分子药物。这些筛选方法包括高通量筛选、使用专注这一方向的化合物库、受结构启发的设计、基于片段的筛选方法、以及计算机模型。这带来了大量不同的潜在RNA靶向分子，让我们对靶向RNA的原则与方针有了更深的认识。这也是像Arrakis等新兴生物医药公司开发的方向。

如何靶向RNA？

由于RNA与蛋白质结构上的显着不同，因此，RNA是否具有“可成药性”是一个需要解决的问题。与蛋白不同，RNA主要由四类核苷酸组成，带有大量电荷，也比蛋白质更为亲水。然而，RNA在折叠后的具有复杂的三维结构。这些复杂结构有望带来足够的成药构象，让小分子药物结合与识别。

小分子药物也可识别RNA结构（图片来源：参考资料[8]）

过去“意外发现”的小分子RNA靶向药物支持了这一观点。上文中提到的linezolid和ribocil从传统药物化学的角度看，都是非常杰出的分子——它们符合经典的“里宾斯基五规则”，有较小的极性总表面积（tPSA），也有较好的细胞膜穿透性。此外，它们没有明显的毒性。最关键的是，它们能结合RNA靶点结构上的“口袋”。这与许多靶向蛋白质的小分子药物如出一辙，也支持了靶向RNA的小分子药物的研发。

如同蛋白质靶向药物一样，靶向RNA的药物也需要对RNA结构的了解。该综述的作者们指出，良好的RNA靶点，结构上应有足够的“信息量”。目前，具有成药潜力的几个分子都靶向复杂的RNA结构。而倘若靶向简单的RNA结构，可能会影响到靶向分子的亲和力与特异性。

好的RNA靶点应有足够的“信息量”（图片来源：参考资料[8]）

筛选靶向RNA的小分子药物的八大指导方针

在了指导未来的新药筛选，研究人员们整理了几大方针，供后人参考：

专注于具有足够复杂度，结构独特的RNA模块。这些模块有望带来高质量的“口袋”，方便小分子药物结合。这些模块在大型RNA分子中较常见。

谨慎决定靶向RNA的小分子基本结构。在定义这些结构前，我们还需要更多的研究。过去几十年来，靶向蛋白质的经验或许有用。

在核糖体RNA上取得的成功，未必能旁推到其他领域。这些RNA在细胞中高度富集，靶向它们的分子可能有特殊的性质。

对于那些高度碱性、具有插入特性、或是高度疏水的小分子化合物，对实验结果的解读要尤其谨慎。这些化合物可能与RNA有很高的亲和力，但可能会有严重的脱靶效应。

留意那些能够靶向RNA-蛋白质相互结合的分子，譬如branaplam和SMA-C5。它们有望带来出色的特异性与亲和力。

找到那些具有“高信息量”的结构。相比蛋白质，RNA的一大优势在于我们有许多定量的化学方法去帮助我们完成这些工作。

在现有工具的基础上，开发全新的工具，去更好地了解RNA的复杂结构。

找到那些具有明确治疗机制的靶点，并针对它们寻找潜在的新药。

这一领域的最新进展

我们高兴地看到，这一领域的新兴生物医药公司的研发方向与这些建议不谋而合。前文提到的Arrakis公司在过去两年多的时间里，构建专属于靶向RNA的小分子筛选和优化平台。它包括名为Tryst的RNA靶标筛选系统，能够预测RNA序列上适于小分子药物结合的位点和结构。以及帮助分析小分子药物与RNA之间的结合机制，并且选出最佳候选化合物进一步开发的Pearl-seq系统。

根据Michael Gilman博士的描述，这一药物开发技术平台目前已经可以开始大规模地针对多种不同RNA进行药物筛选。该公司聚焦的第一个RNA就是编码myc蛋白的mRNA。Myc是最初发现的致癌基因之一，在接近40年前就被发现了。它编码的转录因子myc蛋白与多种人类癌症相关。Arrakis公司已经通过多种筛选手段寻找与myc RNA结合的小分子化合物，用Michael Gilman博士的话来说，发现了靶向这一RNA的不少奇妙的化合物。Arrakis公司靶向myc RNA的策略是找到能够与RNA结合并且阻止RNA翻译生成蛋白的小分子药物。RNA在与核糖体结合翻译蛋白时，需要解开折叠的三级结构变为线状结构，而如果使用小分子药物将RNA的三级结构固定住，让它们无法被解开，就可以防止蛋白的产生。

而由Scripps研究所（The Scripps Research Institute） 教授Matthew D. Disney博士创建的Expansion Therapeutics公司，在开发靶向三联体重复序列的小分子化合物方面也获得了出色的进展。Expansion Therapeutics公司的药物开发工具能够将上千个不同的RNA结构与共价固定在芯片上的小分子化合物库进行相互筛选。这一筛选结果能够发现与特定RNA折叠结构结合的高质量的小分子化合物，它们可以被传统的药物化学手段进一步优化。

Matthew D. Disney博士领导的研究团队还开发出了能够切断富含CUG三联体重复序列的RNA的小分子化合物。CUG重复序列是导致1型强直性肌营养不良（DM1）的基因变异。DM1是一种无法治愈的神经肌肉疾病。在近日发表在《PNAS》的一项研究中，这种靶向CUG重复序列的小分子药物cugamycin，能够有选择性地靶向导致疾病的RNA结构，并且在临床前动物试验中改善小鼠的DM1症状。

在探索靶向RNA的小分子药物领域还有其它新兴生物技术公司。例如，去年，Skyhawk Therapeutics在麻省正式成立，力图开发靶向RNA的小分子药物，修复RNA剪接时出现的外显子跳跃错误，治疗神经疾病和癌症。该公司去年与新基（Celgene）公司达成为期5年的研发合作协议。

目前，这些疗法仍然处于临床前开发阶段，它们仍然需要在人体中临床试验的验证。我们期待这一天尽快到来，让我们进一步疗法靶向RNA的小分子药物在治疗人类疾病方面的潜力。

参考资料：

[1] Expansion Therapeutics. Retrieved April 19, 2019, from https://www.expansionrx.com/expansion-repeat-disorders/

[2] Arrakis Therapeutics. Retrieved April 19, 2019, from http://arrakistx.com/

[3] Drugging the undruggable and other challenges on the road to targeting RNA with pills. Retrieved April 19, 2019, from https://www.statnews.com/2019/04/19/michael-gilman-rna-arrakis/

[4] Ribometrix. Retrieved April 19, 2019, from http://www.ribometrix.com/index.html

[5] RNA研发热！这12家公司正在推进靶向RNA的小分子药物. Retrieved April 19, 2019, from https://mp.weixin.qq.com/s/df8pOurBsAeXs57CBHuJOQ

[6] Nature深度综述：小分子靶向RNA，这些原则你都知道吗？ Retrieved April 19, 2019, from https://mp.weixin.qq.com/s/kpIoktgNTmlXNCfz_mCosQ

[7] RNA-targeting Compound Shows Ability to Limit Muscle Damage in Early Myotonic Dystrophy Type 1 Study. Retrieved April 19, 2019, from https://musculardystrophynews.com/2019/04/08/rna-cutting-compound-shows-ability-to-limit-muscle-damage-in-myotonic-dystrophy-type-1-in-early-study/

[8] Warner et al., (2018). Principles for targeting RNA with drug-like small molecules. Principles for targeting RNA with drug-like small molecules. Nature Reviews Drug Discovery. https://doi.org/10.1038/nrd.2018.93.