“不重要”的核酸如何治療疾病?

核酸是如何通過調控基因的表達來治療疾病的?

核酸是生命資訊的重要載體,它存儲的資訊決定了我們是什麼、長什麼樣。即使是最小的病毒,決定它性狀的生命資訊也都是由核酸存儲的。

因為疫情而被我們熟悉的核酸檢測,也是像掃描指紋或者面部識別一樣檢測病毒的特徵序列,從而判斷病毒是否存在於我們採集的樣本中。只有一個例外——朊病毒,這種病毒僅由蛋白構成。

基因到表徵的過程像是在餐廳用餐,侍者mRNA聚合酶將功能表上的資訊轉錄到mRNA這個便利貼後交給後廚核糖體烹調出蛋白,最後成為具有功能的分子。依憑這個關係,我們研發出了核酸藥物,直接向細胞遞送所需要合成蛋白的核酸資訊,剩下的交由細胞自動完成,mRNA疫苗利用的也是這樣的原理。

和餐廳經營一樣,基因表達的過程實際上複雜得多。

餐廳受時令的影響不會在禁漁期提供牡蠣,細胞也會因為其所需的功能過表達或沉默某些基因,這在基因中能夠通過表觀遺傳修飾來給功能表上添加標記;客人可能點了菜之後對菜品提出要求,例如不放香菜,這樣就需要將傳功能表上的資訊在交給大廚前註明好,這個將pre-mRNA(剛通過轉錄産生的mRNA,像是草稿一樣需要編輯與整理)編輯至成熟mRNA的過程包含了基因的可變剪切;抄寫好的mRNA也會因為客人突然反悔不再需要,因此需要立即對mRNA進行註釋後銷毀,避免浪費,這個過程則涉及RNA干擾(RNAi)。

決定生物性狀的,不僅是基因編碼了什麼,還取決於基因是如何被表達的。一些疾病的本身也正是基因表達的紊亂,例如大部分的癌症都表現了抑癌基因的抑制和原癌基因的過度表達。

在這種情況下,我們並不需要使用某些化學藥物或者蛋白直接參與到複雜的代謝當中,也不必遞送大核酸生成新的蛋白,或是冒著錯誤的風險直接進行基因編輯。我們只需要簡單的對現有的基因表達狀況進行調整:刺激或抑制某些基因的表達即可。

小核酸包括小干擾核酸(siRNA)、反義寡核苷酸(ASO)、微小RNA(miRNA)和核酸適配體(Aptamer)的核苷酸分子。相比于動輒上百上千個鹼基(nt)的mRNA,這些小分子的大小通常不會超過30nt。小核酸雖然小,但是在細胞活動調控中能夠起到重要的作用,這一特性也使得其更加容易設計、生産與遞送而作為藥物應用到臨床中。

無論是DNA或是RNA,都是由一個個核苷酸組成的核酸鏈。除了與臨近的核苷酸反應結合以外,在核酸鏈上的核苷酸還能與特定的另一種核苷酸共價結合配對。這樣的兩兩配對規則使得核酸鏈存在“正向”與“反向”的區別。

核酸序列也就像姓名一樣,姓和名在一起就是一個準確的人,例如“韓梅梅”。韓梅梅也在英語世界裏也可以是“梅梅韓”,雖然是同樣的一個人,當我們聽到“梅梅韓”的時候會感到陌生。

基因的讀取也是一樣的,雖然染色體DNA在生物體內是以雙鏈的形式存在的,但是在轉錄的時候存在著一定的方向偏好,系統只會理解其中一種表達,就像韓梅梅在中國和梅梅韓在美國一樣。而另外一條鏈通常不會被轉錄為mRNA,因為這一條鏈不僅不會被翻譯系統識別,而且還會和正確的mRNA互補配對形成雙鏈結構,阻止mRNA被翻譯。

雖然核酸互補的兩條鏈包含著相同的意思,但是往往只有一條鏈能夠被細胞讀懂。 插畫:青檸

這給了科學家一個抑制基因表達的思路:如果我們不希望一種基因表達,往細胞遞送與目標mRNA互補的RNA就可以導致mRNA的翻譯受阻,從而阻止目的基因的表達。

反義寡核苷酸(antisense oligonucleotide, ASO)就是與目標RNA或DNA具有互補序列的RNA分子。利用固相亞磷酰胺法人工合成的反義寡核苷酸在遞送進細胞後,會和細胞質內的mRNA結合阻止mRNA被核糖體識別,或是直接與展開為單鏈的DNA結合阻止DNA的轉錄。

小型干擾核酸(small-interfering RNA, siRNA)是一種雙鏈非編碼RNA分子,分子大小通常在20至24nt之間,並帶有羥基化的3‘端和磷酸化的5’端。當siRNA進入細胞質之後,將會招募其他蛋白組成RNA介導的沉默複合體(RISC),並開始在細胞質中搜尋與siRNA互補配對的mRNA。當靶向mRNA被捕獲後,沉默複合體會與之互補配對結合,再降解mRNA。這一過程就像是一支箭射中了傳遞情報的鴿子,信使消失之後資訊自然無法傳達。

與RNA干擾(RNAi)相對應的是RNA激活(RNA activation),他們同樣是通過一個小核酸招募蛋白來對靶向基因的表達進行調控。不同之處在於,RNAa靶向的是基因的非編碼區域,其中包括基因的啟動子(使得RNA開始轉錄的區域)。基因的啟動子像是一個電門,當基因有表達需要的時候會踩上一腳,RNA聚合酶就會啟動並開始轉錄對應的mRNA。而saRNA(小激活RNA)就像是在這個電門上放的一塊磚頭,基因就會因為持續信號的刺激而持續轉錄,從而持久的激活基因表達。而siRNA則是在剎車上放著的磚頭,持續抑制基因表達。

微小RNA(micro RNA, miRNA)和siRNA非常相似,也是一系列具有基因轉錄調控作用的19-25nt大小非編碼RNA。miRNA是在細胞核內由一個較長的單鏈pri-miRNA經過Drosha酶加工,然後轉運到細胞質並經過Dicer剪切酶剪切後形成一個成熟的發卡狀RNA。miRNA成熟之後同樣會和蛋白結合形成miRISC複合體,對匹配的mRNA進行翻譯抑制或者降解。miRNA的調控並不具備一一對應關係:同一個基因可以被多種miRNA調控,同時同一個miRNA也可以調控多種基因,miRNA在基因調控一定程度上具有更高的廣泛性。

核酸適配體(Aptamer)是一群能夠與多種目標物質高特異性結合的核酸或是肽。核酸和蛋白一樣能夠通過核酸鏈內部的相互作用生成複雜的高級結構,當核酸適配體與目標物質特異性結合時,自身的構型亦會隨之變化以完成功能,這一過程類似于抗體與抗原的結合。在與對應的靶標結合後,核酸適配體能夠作為探針釋放信號來檢測目標物質的存在,或者阻止目標蛋白的功能。

由非編碼RNA剪切産生的siRNA,能夠與蛋白形成沉默複合體并剪切能夠與之互補配對的mRNA,阻止基因表達。 插畫:青檸

小核酸藥物的主要靶點為細胞內的mRNA,通過抑制翻譯或者降解mRNA阻止基因的表達,完成對細胞活動的調控。相比于可編碼核酸藥物和生物大分子藥物,小分子藥物在藥物研發上更加靈活簡便,不需要進行複雜的修飾和更簡便的工藝與品質控制。而且小核酸藥物比傳統的小分子化合藥物具有更強的特異性,適用於小核酸藥物的靶點也非常豐富。

小核酸藥物仍然屬於方興未艾的新興藥物品類,至今小核酸藥物只有數款被推向市場,但已經取得了較好的反響。作為已上市小核酸藥物的代表,Nusinersen對於脊髓型肌萎縮症具有良好的療效,也獲得了市場的肯定:至2019年底累計銷售額為47億美元。

對降低血脂有著良好療效的siRNA藥物Inclisiran的上市,也意味著這款藥物很快就能服務於患者。高血脂患者不再需要持續吃藥或者節食,每半年注射一次就可以維持正常的體重和血脂,這無疑是非常具有吸引力的治療方案。

小核酸藥物也會將醫療推向“單病人”時代,一款藥物只特定的服務於一個病人,充分分析患者的自身情況而開發出的最佳藥物,最大化了治療效果的同時也最小化了副作用。RNA 藥物序列的篩選基本不涉及三維結構,是在更為簡單的核酸序列上進行,因此小核酸藥物的研發更具有平臺性。在統一的研發平台下,針對性的小核酸藥物將能夠被標準化的開發,通過與精準診斷與AI制藥技術的協同,也能極大的降低小核酸藥物的開發成本。

因新冠疫苗而大放異彩的核酸藥物企業BioNTech在小核酸藥物領域已有多年的研發,也有聖因生物、中美瑞康這樣的初創企業加入到小核酸藥物的研發當中。依憑小核酸藥物種類多樣,靶點廣泛的特點,雨後春筍般出現的小核酸藥物企業將意味著會有更多的疾病能夠被小核酸藥物治療。

生物制藥企業大多通過通過平臺化的先進引擎最快針對症狀預測發現藥物,在使得研發項目具有連貫性的同時,減少動物實驗和臨床研究成本。現階段在小核酸藥物領域大放異彩的生物制藥企業,也都是憑藉平臺化研發環境快速發現藥物,平臺的自主性也決定了藥企的主動性。

小核酸雖然很小,不編碼任何蛋白,但是它能夠調控基因的表達從而決定細胞的活動,像是手錶上的表冠,不參與計時,卻對時間做出調整。

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6. RNA藥物“王者歸來”. 謝雨禮. 返樸.

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