RNA藥物的分類及對應(yīng)的藥物機(jī)制和特點

本文來源于微信公眾：胖貓的生命科學(xué)札記   作者： 胖貓生命醫(yī)學(xué)

胖貓好久沒寫點基礎(chǔ)的東東了，今天跟各位老爺聊聊RNA藥物！
與小分子和蛋白藥物不同，RNA藥物的分子本質(zhì)是核糖核酸，其治療作用依賴于RNA通過堿基配對實現(xiàn)高特異的基因靶向，實現(xiàn)對基因表達(dá)和蛋白合成的調(diào)控。

RNA藥物的一個重要優(yōu)勢是開發(fā)過程簡單，一旦確定目標(biāo)序列即可快速設(shè)計并合成用于臨床試驗。這一點和小分子或蛋白藥物昂貴又耗時的研發(fā)形成鮮明的對比。

同時，RNA藥物也有獨特的劣勢，尤其是密碼子優(yōu)化、結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、免疫原性和大規(guī)模生產(chǎn)制造方面。
RNA分子量過大、帶負(fù)電荷，會導(dǎo)致藥代動力學(xué)和藥效不佳；未修飾RNA由于穩(wěn)定性差，且會被內(nèi)源核酸酶降解，半衰期較短；RNA藥物遞受到多種屏障阻礙，包括細(xì)胞膜、內(nèi)化過程。

基于RNA的藥物又細(xì)分成多類：mRNA、RNA適配體、反義寡核苷酸（ASOs）、短干擾RNA（siRNA）和微小RNA（miRNA）等。

這些藥物的機(jī)制和特點各不相同，這篇文章就分別拆開研究下！

1、ASO 藥物
治療性ASO由18～30個單鏈RNA或DNA分子組成，可以特異性結(jié)合pre-mRNA或mRNA，通過促進(jìn)靶標(biāo)RNA衰變，或抑制其蛋白加工實現(xiàn)藥物作用。
最常用的機(jī)制是招募RNA酶H降解mRNA。ASO結(jié)合靶mRNA編碼區(qū)，形成穩(wěn)定雙鏈雜交結(jié)構(gòu)，促進(jìn)RNA酶H1招募。RNAse H1通過位于N端的RNA結(jié)合結(jié)構(gòu)與雜二鏈結(jié)合，導(dǎo)致RNA切割，下調(diào)靶標(biāo) mRNA 的轉(zhuǎn)錄。

ASO還可通過RNAse H1非依賴機(jī)制發(fā)揮作用，稱剪接切換ASOs或剪接切換寡核苷酸（SSO）。這一機(jī)制主要受剪接因子蛋白影響，這些蛋白可在特定位點促進(jìn)（剪接增強(qiáng)劑）或抑制（切割沉默劑）剪接。
ASO的設(shè)計和合成都很簡單，所以從概念設(shè)計到臨床應(yīng)用非常快，臨床可通過多種方式給藥，包括靜脈注射、皮下注射、局部注射和鞘內(nèi)注射，能夠適應(yīng)不同的醫(yī)療需求。
與其他藥物類別比，ASOs的免疫耐受良好，嚴(yán)重不良反應(yīng)風(fēng)險低。然而，如何高效遞送到靶組織，尤其是穿越血腦屏障（BBB）等生物屏障，是一個重大限制。

2、mRNA 藥物
mRNA是單鏈分子，結(jié)構(gòu)上有5'帽和3' poly A結(jié)構(gòu)，包含一個編碼目標(biāo)基因的開放閱讀框，兩側(cè)為5'和3'非翻譯區(qū)。
mRNA藥物進(jìn)入細(xì)胞后指導(dǎo)特定蛋白產(chǎn)生，用于蛋白替代療法和疫苗接種。一旦進(jìn)入細(xì)胞，編碼的蛋白產(chǎn)物是藥理活性分子，其藥理活性取決于胞內(nèi)翻譯的復(fù)雜調(diào)控。
mRNA藥物可進(jìn)行個性化設(shè)計，能兼顧患者特定因素（如年齡、性別和疾病狀態(tài)）以最大化療效和安全性。然而mRNA藥物分子不穩(wěn)定，在遞送、免疫激活及個體變異等方面面臨挑戰(zhàn)。（請看：《mRNA疫苗學(xué)習(xí)整理（上）》《mRNA疫苗學(xué)習(xí)整理（下）：遞送和制劑技術(shù)》）

3、干擾 RNA 藥物
外源或內(nèi)源雙鏈RNA被胞質(zhì)RNAnase III酶Dicer切割為短的成熟雙鏈siRNA或miRNA。
隨后，siRNA\miRNA被整合進(jìn)RNAi誘導(dǎo)沉默復(fù)合體（RISC），這是一種核糖核蛋白復(fù)合體，包含siRNA\miRNA和RISC催化成分Ago2蛋白。

siRNA\miRNA的正義鏈會被RISC降解，反義鏈作為功能成分保留作為蛋白復(fù)合物結(jié)合靶標(biāo)mRNA的引導(dǎo)序列。

RISC利用單鏈引導(dǎo)RNA在細(xì)胞質(zhì)中尋找目標(biāo)mRNA序列并結(jié)合，隨后觸發(fā)Ago2蛋白的內(nèi)切酶活性，切斷目標(biāo)mRNA骨架中的磷酸二酯鍵。

siRNA和miRNA都是參與翻譯后基因調(diào)控的短雙鏈RNA，物理化學(xué)特征相似，但功能不同。

siRNA與目標(biāo)mRNA具有完全互補(bǔ)的堿基配對，能誘導(dǎo)特定靶mRNA降解，實現(xiàn)基因沉默且無脫靶效應(yīng)；miRNA往往具有不完全的堿基配對，這會導(dǎo)致翻譯抑制或mRNA不穩(wěn)定，但不會降解mRNA。

miRNA的治療應(yīng)用依賴兩種不同策略：抑制和替代。第一種策略通過使用miRNA拮抗劑抑制內(nèi)源性miRNA，使miRNA無法被RISC處理或降解；miRNA替代方法模擬內(nèi)源性miRNA的功能，發(fā)揮抑制作用。

siRNA和miRNA均可對目的基因進(jìn)行沉默，實現(xiàn)藥效，但各優(yōu)勢和局限性。

siRNA藥物靶向單一mRNA，具有高度選擇性，可最大限度地減少離靶基因沉默，已有多種基于siRNA的藥物獲批，證明了其臨床可行性；然而，基于siRNA的藥物由于核酸酶降解，體內(nèi)穩(wěn)定性較差，導(dǎo)致半衰期短且藥代動力學(xué)差。

相比下，基于miRNA的藥物可同時靶向大量mRNA，調(diào)節(jié)整個基因網(wǎng)絡(luò)和通路。這對治療復(fù)雜多基因病非常有用，但多靶點機(jī)制增加了非靶點效應(yīng)風(fēng)險。

4、核酸適配體
適配體是短的合成單鏈寡核苷酸或多肽，能特異靶向蛋白、小分子、離子或細(xì)胞。和靶點結(jié)合后，阻斷蛋白-蛋白互作，從而起到拮抗劑的作用。
其功能得益于模仿抗體的能力，因此也被稱為化學(xué)抗體或擬抗體。但與傳統(tǒng)抗體不同，適配體具有穩(wěn)定性強(qiáng)、免疫原性和分子量低，等特點。
適配體也可設(shè)計成在胞內(nèi)發(fā)揮作用，這種情況下稱為“內(nèi)聚體”。胞內(nèi)適配體可結(jié)合并調(diào)節(jié)胞質(zhì)或核內(nèi)蛋白活性，影響基因表達(dá)、RNA轉(zhuǎn)運(yùn)或酶活性等。
雙特異性適配體是經(jīng)過工程設(shè)計的核酸分子，用來同時結(jié)合兩個不同的靶點，常是腫瘤相關(guān)抗原和免疫細(xì)胞受體，這樣的機(jī)制就類似于 TCE 了。
有意思的是，嵌合體適配體就像 ADC，一個結(jié)構(gòu)是核酸適配體，另個結(jié)構(gòu)是功能性藥物，這種設(shè)計能夠?qū)Π悬c高特異的結(jié)合，實現(xiàn)靶向藥物遞送的功能。

5、CRISPR-Cas系統(tǒng)與gRNA
CRISPR-Cas是一種革命性基因編輯技術(shù)，源自細(xì)菌適應(yīng)性免疫機(jī)制，通過靶向并切割外來核酸來防御病毒和質(zhì)粒。其功能依賴于工程化gRNA和RNA引導(dǎo)Cas核酸酶的利用。

其中g(shù)RNA專門用于與靶序列堿基配對，并結(jié)合Cas蛋白，從而形成Cas-gRNA核糖核蛋白復(fù)合物。隨后Cas核酸酶在特定目標(biāo)位點切割雙鏈DNA，或在某些系統(tǒng)中切割單鏈RNA，從而促進(jìn)精確的基因組編輯。
基于CRISPR-Cas的藥物利用gRNA的精準(zhǔn)度引導(dǎo)基因編輯酶至特定DNA序列，實現(xiàn)高度靶向的修飾，精確編輯基因的能力為多種疾病開辟了廣泛的治療可能性，包括遺傳疾病、癌癥、傳染病、神經(jīng)系統(tǒng)疾病和眼科疾病。

6、tRNA
tRNA是長度70–90個核苷酸的 RNA，在蛋白合成過程中將mRNA密碼子翻譯成相應(yīng)氨基酸。每個tRNA都是典型的三葉草狀二級結(jié)構(gòu)，隨后折疊成更緊湊的L形三級結(jié)構(gòu)。
基于tRNA的藥物旨在從蛋白質(zhì)翻譯層面治療遺傳疾病。這些療法利用工程化的tRNA來處理干擾正常蛋白質(zhì)合成的突變，特別是無義和錯義突變。
工程化tRNA能識別mRNA中的過早終止密碼子（無意義突變），并插入氨基酸，使核糖體產(chǎn)生全長且功能性強(qiáng)的蛋白質(zhì)。此外，這些tRNA可以在錯義突變位點插入正確的氨基酸，從而有可能恢復(fù)蛋白質(zhì)功能�；�于tRNA的藥物旨在恢復(fù)完整功能性蛋白質(zhì)的生成，這對治療效果通常至關(guān)重要。然而，與高效細(xì)胞遞送和穩(wěn)定性相關(guān)的挑戰(zhàn)仍是臨床翻譯的關(guān)鍵。

7、環(huán)狀 RNA
環(huán)狀RNA是一類內(nèi)源性、共價閉合的RNA分子，因其穩(wěn)定性、組織和細(xì)胞特異性的表達(dá)模式及在基因表達(dá)中的不同調(diào)控作用而備受關(guān)注。與線性RNA不同，環(huán)形RNA缺乏游離的5′和3′末端，這賦予了其對外切酶降解的抵抗力，增強(qiáng)了穩(wěn)定性。

環(huán)RNA的機(jī)制之一是miRNA海綿化。環(huán)狀RNA包含多個特定miRNA的結(jié)合位點，以序列依賴方式結(jié)合miRNA，使其失活，從而防止mRNA靶點被抑制。通過專門設(shè)計的環(huán)RNA，配合定制的miRNA結(jié)合位點，定向到任何miRNA。

除miRNA海綿化外，環(huán)RNA還可以設(shè)計成以序列依賴的方式直接靶向并與pre-mRNA和mRNA轉(zhuǎn)錄本相互作用，通過與剪接因子競爭或影響剪接位點選擇，從而導(dǎo)致替代剪接，并通過立體阻礙或RNA二級結(jié)構(gòu)的改變影響mRNA翻譯，從而影響翻譯效率。

此外，工程化環(huán)RNA還可用于通過競爭退火破壞致病或缺陷RNA二級結(jié)構(gòu)，從而恢復(fù)正常RNA功能或抑制異常蛋白的翻譯。

環(huán)RNA治療代表了下一代有前景的基于RNA的藥物，具有穩(wěn)定性、蛋白質(zhì)表達(dá)和免疫原性等優(yōu)勢。盡管尚未有環(huán)狀RNA藥物獲得FDA批準(zhǔn)，但該領(lǐng)域正在迅速發(fā)展。

8、核酶
核酶，或稱RNA酶，是具有內(nèi)在酶活性的小型RNA分子，能識別并結(jié)合特定RNA序列，從而催化有害RNA的切割或突變RNA修復(fù)等反應(yīng)。
與蛋白酶不同，核酶僅通過其RNA結(jié)構(gòu)催化生化反應(yīng)，促進(jìn)轉(zhuǎn)錄后基因表達(dá)的調(diào)控。通過互補(bǔ)的堿基配對相互作用，核酶可專門的識別區(qū)選擇性結(jié)合目標(biāo)mRNA，實現(xiàn)特定位點的切割或轉(zhuǎn)錄本穩(wěn)定性和翻譯調(diào)節(jié)。
除催化降解功能外，核酶還能通過空間阻斷核糖體對mRNA的訪問來抑制基因表達(dá)，從而阻止翻譯的啟動或延長。這種類反義機(jī)制不需催化活性，而是利用核酶的序列特異性和穩(wěn)定雜交。