МРНК-вакцина Pfizer від COVID знову розпалила пристрасть до використання рибонуклеїнової кислоти (РНК) як терапевтичної мішені.Однак націлювання на РНК малими молекулами надзвичайно складне.

РНК має лише чотири будівельні блоки: аденін (A), цитозин (C), гуанін (G) і урацил (U), який замінює тимін (T), що міститься в ДНК.Це робить вибірковість ліків майже непереборною перешкодою.Навпаки, існує 22 природні амінокислоти, які входять до складу білків, що пояснює, чому більшість препаратів, націлених на білок, мають відносно добру селективність.

Будова і функції РНК

Як і білки, молекули РНК мають вторинну та третинну структури, як показано на малюнку нижче.Хоча вони є одноланцюговими макромолекулами, їх вторинна структура набуває форми, коли спаровування основ викликає опуклості, петлі та спіралі.Потім тривимірне згортання призводить до третинної структури РНК, яка є важливою для її стабільності та функціонування.

Малюнок 1. Структура РНК

Існує три типи РНК:

• Матрична РНК (мРНК)транскрибує генетичну інформацію з ДНК і переноситься як послідовність основ на рибосому;л
• Рибосомальна РНК (рРНК)є частиною білок-синтезуючих органоїдів, званих рибосомами, які експортуються в цитоплазму та допомагають транслювати інформацію з мРНК у білки;
• Переносна РНК (тРНК)є сполучною ланкою між мРНК і амінокислотним ланцюгом, з якого складається білок.

Націлювання на РНК як терапевтичну мішень є дуже привабливим.Було виявлено, що лише 1,5% нашого геному в кінцевому підсумку транслюється в білок, тоді як 70%-90% транскрибується в РНК.Молекули РНК є найважливішими для всіх живих організмів.Згідно з «центральною догмою» Френсіса Кріка, найважливіша роль РНК полягає в перекладі генетичної інформації з ДНК на білки.Крім того, молекули РНК виконують і інші функції, зокрема:

• Діючи як адаптерні молекули в синтезі білка;л
• Служить посередником між ДНК і рибосомою;л
• Вони є носіями генетичної інформації в усіх живих клітинах;л
• Стимулювання рибосомального відбору правильних амінокислот, необхідних для синтезу нових білківв природних умовах.

Антибіотики

Незважаючи на те, що вони були відкриті ще в 1940-х роках, механізм дії багатьох антибіотиків не був з’ясований до кінця 1980-х років.Встановлено, що значна частина антибіотиків діє шляхом зв’язування з бактеріальними рибосомами, щоб перешкодити їм виробляти відповідні білки, тим самим вбиваючи бактерії.

Наприклад, аміноглікозидні антибіотики зв’язуються з А-сайтом 16S рРНК, яка є частиною 30S субодиниці рибосоми, а потім перешкоджають синтезу білка, перешкоджаючи росту бактерій, що зрештою призводить до загибелі клітини.А-сайт відноситься до аміноацильного сайту, також відомого як акцепторний сайт тРНК.Детальна взаємодія між аміноглікозидними препаратами, такими якпаромоміцин, і A-сайткишкова паличкаРНК показано нижче.

Рисунок 2. Взаємодія між паромоміцином і A-сайтомкишкова паличкаРНК

На жаль, багато інгібіторів А-сайту, включаючи аміноглікозиди, мають проблеми з безпекою, такі як нефротоксичність, дозозалежна та специфічна необоротна ототоксичність.Ця токсичність є результатом відсутності селективності аміноглікозидних препаратів щодо розпізнавання малих молекул РНК.

Як показано на малюнку нижче: (а) структура бактерій, (б) клітинна мембрана людини та (в) мітохондріальний А-сайт людини дуже подібні, завдяки чому інгібітори А-сайту зв’язуються з усіма ними.

Рисунок 3. Зв'язування неселективного інгібітора A-сайту

Тетрациклінові антибіотики також пригнічують А-сайт рРНК.Вони селективно пригнічують синтез бактеріального білка шляхом оборотного зв’язування зі спіральною ділянкою (H34) на субодиниці 30S у комплексі з Mg²⁺.

З іншого боку, макролідні антибіотики зв’язуються поблизу місця виходу (E-site) тунелю бактеріальної рибосоми для насцентних пептидів (NPET) і частково блокують його, тим самим пригнічуючи синтез бактеріального білка.Нарешті, оксазолідинонові антибіотики, такі яклінезолід(Zyvox) зв’язуються з глибокою щілиною в бактеріальній субодиниці рибосоми 50S, яка оточена нуклеотидами 23S рРНК.

Антисмислові олігонуклеотиди (ASO)

Антисмислові препарати - це хімічно модифіковані полімери нуклеїнових кислот, які націлені на РНК.Вони покладаються на спаровування основ Уотсона-Кріка для зв’язування з цільовою мРНК, що призводить до глушіння генів, стеричної блокади або зміни сплайсингу.ASO можуть взаємодіяти з пре-РНК у клітинному ядрі та зрілими мРНК у цитоплазмі.Вони можуть націлюватися на екзони, інтрони та нетрансльовані області (UTR).На сьогоднішній день більше десятка препаратів ASO схвалено FDA.

Рисунок 4. Антисенс-технологія

Маломолекулярні препарати, спрямовані на РНК

У 2015 році Novartis повідомила, що вони виявили регулятор сплайсингу SMN2 під назвою Branaplam, який посилює асоціацію U1-пре-мРНК і рятує мишей SMA.

З іншого боку, у 2020 році FDA схвалила Risdiplam (Evrysdi) від PTC/Roche для лікування СМА.Як і Бранаплам, Рисдіплам також працює, регулюючи сплайсинг відповідних генів SMN2 для отримання функціональних білків SMN.

Деградатори РНК

RBM розшифровується як РНК-зв'язуючий білок мотиву.По суті, індолсульфонамід є молекулярним адгезивом.Він вибірково залучає RBM39 до убіквітин-лігази CRL4-DCAF15 E3, сприяючи поліубіквітуванню RBM39 і деградації білка.Генетичне виснаження або деградація RBM39, опосередкована сульфаніламідами, викликає значні аномалії сплайсингу в геномі, що в кінцевому підсумку призводить до загибелі клітини.

РНК-PROTAC розроблені для розкладання РНК-зв'язуючих білків (RBP).PROTAC використовує лінкер для з’єднання ліганду лігази E3 з лігандом РНК, який зв’язується з РНК і RBP.Оскільки RBP містить структурні домени, які можуть зв’язуватися зі специфічними олігонуклеотидними послідовностями, RNA-PROTAC використовує олігонуклеотидну послідовність як ліганд для цікавого білка (POI).Кінцевим результатом є деградація RBP.

Нещодавно професор Метью Дісней з Інституту океанографії Скріппса винайшов РНКхимери, націлені на рибонуклеазу (RiboTACs).RiboTAC — це гетерофункціональна молекула, яка з’єднує ліганд РНКази L і ліганд РНК за допомогою лінкера.Він може спеціально рекрутувати ендогенну РНКазу L до конкретних мішеней РНК, а потім успішно елімінувати РНК за допомогою механізму розпаду клітинної нуклеїнової кислоти (РНКази L).

У міру того як дослідники дізнаються більше про взаємодію між малими молекулами та РНК-мішенями, у майбутньому з’явиться більше ліків, які використовують цей метод.