RNA-inriktade småmolekylära läkemedel
RNA-inriktade små molekyler representerar en klass av små molekyler , organiska föreningar med traditionella läkemedelsegenskaper (t.ex. Lipinskis femteregel ) som kan binda till sekundära eller tertiära RNA -strukturer och förändra translationsmönster, lokalisering och nedbrytning.
Ursprung
Nya upptäckter som involverar RNA i patogenesen av flera former av cancer och neuromuskulära sjukdomar har skapat ett paradigmskifte i läkemedelsupptäckten . Detta arbete kombinerat med framsteg inom strukturella karakteriseringstekniker som NMR-spektroskopi och röntgenkristallografi tillsammans med beräkningsmodellering har drivit fram insikten att RNA är ett dynamiskt men ändå livskraftigt läkemedelsmål . Traditionellt ansågs RNA vara en mediator mellan DNA -sekvenskodade instruktioner och funktionellt protein . Nya rapporter har dock visat att det finns ett stort antal icke-kodande RNA (ncRNA) som inte översätts till protein. Medan 85 % av det mänskliga genomet transkriberas till RNA kodar endast 3 % av transkripten för funktionellt protein. Även om ncRNA påverkar genuttrycksnivåer genom en mängd olika mekanismer. Vidare kan RNA anta diskreta sekundära eller tertiära strukturer som spelar en central roll i många biologiska processer och sjukdomspatologi. Av dessa skäl erkänns RNA som ett attraktivt läkemedelsmål för små molekyler . [ citat behövs ]
De tidigaste försöken att rikta in sig på RNA ledde till upptäckten att aminoglykosider kunde binda till mänskligt RNA. I en tidig rapport upptäckte Noller att flera klasser av antibiotika ( streptomycin , tetracyklin , spectinomycin , edein, hygromycin och neomycinerna ) kunde "skydda" nukleotider i 16S ribosomalt RNA genom att binda till detta RNA. Efterföljande studier av Schroeder och Green började plantera det frö som RNA kunde riktas mot. Schroeder avslöjade att aminoglykosider kunde hämma proteinsyntes genom att interagera med ribosomen genom interaktioner med 3'-änden av 16S RNA från E. coli genom att dra fördel av RNA-konformationsförändringar. Green och medarbetare bekräftade ytterligare denna idé och upptäckte att aminoglykosider blockerade interaktionen mellan HIV-1 Rev-protein och dess virala RNA-bindningsställe.
David Wilson och David Draper var de första som föreslog att RNA-strukturer kunde riktas mot små molekyler. De antog att RNA kunde vara "läkemedelsbart" genom att rikta in 3D-strukturen på samma sätt som protein 3D-strukturer används som läkemedelsmål och främjade idén att målinriktad RNA kunde användas för att behandla sjukdomar. Czanik och medarbetare på Parke Davis avslutade en skärm om HIV Tat. De hittade flera små molekylhämmare av HIV-1 Tat-TAR-systemet som kände igen utbuktningen, den nedre stammen eller ögleregionen av TAR-RNA:t. En av föreningarna som upptäckts, 2,4,5,6-tetraaminokinozalin, binder till ögleregionen av TAR, nedreglerar cellulär Tat-transaktivering och hämmar slutligen HIV-1-replikation.
Användningen av aminoglykosider, samtidigt som en tidig start på RNA-inriktning, kom med vissa utmaningar. Dessa molekyler var endast måttligt selektiva och visade ogynnsamma toxicitetsnivåer vid relevanta terapeutiska koncentrationer. Som en annan strategi för att rikta RNA, utvecklades antisensoligonukleotider som har drivits framåt genom kliniken för flera sjukdomar. Enligt denna princip, om man kan identifiera ett RNA som är involverat i sjukdom, kan sekvensen användas för att utforma en komplementär antisensoligonukleotid , och det medlet kan införas i celler för att behandla sjukdomen. Men detta tillvägagångssätt i sin grundläggande form har mötts av flera utmaningar. De mest uppenbara är deras stora storlek och benägenhet att nedbrytas av nukleaser. För att cellulärt RNA ska vara effektivt måste det komma in i cellerna intakta. Även om ryggradsmodifieringar av antisens-oligonukleotider för att förhindra nukleasnedbrytning har visat sig fungera, är detta tillvägagångssätt fortfarande något begränsat. Små molekyler kan vara ett bättre sätt att målinrikta RNA och därefter DNA eftersom de kan utformas för att vara mer "läkemedelsliknande" och har en bättre chans att nå sitt mål, mest genom oral administrering. Av denna anledning finns det ett växande intresse för att designa och upptäcka små molekyler för att rikta RNA-sekundära och tertiära strukturer för att i slutändan behandla nya sjukdomar. [ citat behövs ]
Mänsklig behandling
Det finns begränsade exempel på små molekyler som riktar sig mot RNA och är godkända läkemedel för behandling av mänskliga sjukdomar. Ribavirin godkändes 2002 för att behandla hepatit C och viral hemorragisk feber . Som en nukleosidhämmare används guanosinanalog-prodrugen för att stoppa viral RNA-syntes och viral mRNA- kapsling genom att inkorporeras i RNA och paras till uracil eller cytosin. Branaplam befinner sig för närvarande i fas I/II klinisk prövning för behandling av spinal muskelatrofi (SMA). Denna molekyl är från en klass av små pyridazinmolekyler och förbättrar inkluderingen av exon 7, vilket resulterar i en fullängds och funktionell proteinprodukt. [ citat behövs ]
Branaplam representerar den första mekanistiska studien av splitsningsmodulering med hjälp av en sekvensselektiv liten molekyl. Läkemedlet stabiliserar den övergående dubbelsträngade RNA-strukturen (dsRNA) som bildas mellan SMN2- pre-mRNA och U1 snRNP -komplexet, en nyckelkomponent i splicesomen . Vidare verkar denna förening genom att öka bindningsaffiniteten för Ul snRNP till 5'-splitsningsstället (5's) på ett sekvensselektivt sätt som är åtskilt från konstitutiv igenkänning. Ataluren är i kliniska prövningar för behandling av Duchennes muskeldystrofi ( DMD). Man tror att Ataluren verkar genom att främja insättning av nära besläktade tRNA :er vid platsen för nonsenskodonet utan att påverka transkription , mRNA-bearbetning, mRNA-stabilitet eller proteinstabilitet för att ge nonsensundertryckning. Detta läkemedel skulle vara effektivt för ~10% av patienterna med DMD som har en enda mutation i DMD-genen som gör att ett stoppkodon dyker upp i förtid ( nonsensmutation) .
Djurbehandling
Jämfört med antalet läkemedelskandidater som framgångsrikt har tagit sig till den kliniska prövningsfasen, finns det många fler ledande föreningar som har testats in vivo med olika djurmodeller. Mycket av det nuvarande arbetet som har utvecklats till in vivo- testning har riktats mot RNA-repeterande expansioner som är inblandade i genetiska neuromuskulära sjukdomar. Vid myotonisk dystrofi typ 1 (DM1) binder r(CUG)exp mRNA proteiner inklusive den alternativa splitsningsregulatorn MBNL1 in i kärnan vilket orsakar felsplitsning. Flera grupper har utvecklat föreningar som binder det giftiga RNA:t och löser upp kärnhärdar. 2011 upptäckte Artero och medarbetare att en peptid kunde minska toxiciteten förknippad med r(CUG)-upprepningar i Drosophila- och musmodeller. Disney och kollegor tillhandahöll de första små molekylerna som riktade in sig på r(CUG)-upprepningar i djurmodeller genom att använda rationell design för att identifiera många små molekyler som direkt riktade in sig på detta toxiska RNA och föreningarna förbättrade sjukdomsdefekter i en DM1-musmodell.
Andra arbeten av Disney-gruppen har visat att i cellulära modeller av olika RNA-medierade sjukdomar som orsakas av RNA-upprepningar, såsom r(CAG) vid Huntingtons sjukdom och r(CCUG)-upprepningar i myotonisk dystrofi Typ 2, kan man också rikta in sig på små molekyler. Nakamori och kollegor rapporterade också 2012 att erytromycin kunde doseras oralt i DM1-musmodeller för att återställa felskarvningsdefekter och hämma komplexet som bildas mellan r(CUG) och MBNL1 . Samma år screenade Miller och medarbetare ett bibliotek av föreningar för att hitta ett läkemedel med liten molekyl som kunde förbättra splitsningsdefekter i en musmodell. Zimmerman-gruppen har tagit en rationell designstrategi för att upptäcka småmolekylära läkemedel som riktar sig mot r(CUG). En sådan förening innehåller ett selektivt triaminotriazinigenkänningsmotiv som binder till UU-felparningarna i r(CUG) selektivt mest troligt i en bastriplett kombinerad med en amidinium-RNA-rännbindningsenhet. Studier som använder en Drosophila -modell för DM1 visade ett inflytande på relaterade fenotypiska resultat som ögonmorfologi och klättringsavstånd.
Bortsett från studier involverade r(CUG)-upprepningar, har andra komplexa RNA-strukturer också riktats mot. Pearson och medarbetare upptäckte att ett katjoniskt porfyrin (TMPyP4) band ett G -quadruplex r ( G4C2 ) och hämmade bindningen av proteiner till r( G4C2 ) . Arbete av Disney och Petrucelli identifierade rationellt små molekyler som kan rikta in sig på denna upprepning och påverka sjukdomsbiologin i cellulära modellsystem och även i patienthärledda neuroner. Ytterligare studier av Rothstein och kollegor fastställde att TMPyP4 kunde undertrycka r(G 4 C 2 )-medierad neurodegeneration i en Drosophila -modell. Dessutom har mål rationellt identifierats genom att använda en kraftfull sekvensbaserad designmetod som kallas informell för att identifiera dussintals bioaktiva små molekyler som riktar sig mot sjukdom som orsakar icke-kodande RNA som kallas INFORNA. Denna viktiga studie visade för första gången att små molekyler verkar ha selektiviteter som är konkurrenskraftiga med oligonukleotider med cellpermeabla och medicinskt optimerbara små molekyler. Dessutom har föreningar visat sig vara bioaktiva i olika sjukdomsmiljöer som sträckte sig från bröstcancer. och hepatocellulärt karcinom. På senare tid använde Disney-gruppen ytterligare sin förutsägelsedatabas INFORNA för att designa Targaprimir-96 för att rikta miRNA-prekursorer i djurmodeller av cancer, de första små molekylerna som gjorde det. Denna förening har en nanomolär affinitet för miRNA-hårnålsprekursorn selektivt över andra sekvenser. Targaprimir-96 testades ytterligare i celler och i möss, vilket hämmade tumörtillväxt i en xenograft-musmodell av trippelnegativ bröstcancer vid ip-injektion.
.png)
Mobilanvändning
RNA-inriktad läkemedelsupptäckt med små molekyler har haft stor nytta av de tillgängliga cellulära modellerna för sjukdomar. Användningen av cellkultur i tidig utveckling har blivit ett krav för att bedöma den grundläggande effekten av en läkemedelskandidat. Alltså har fler forskargrupper implementerat dessa tekniker i sina program. I ett ledande exempel identifierade Al-Hashimi och medarbetare sex små molekyler med hög affinitet för TAR av HIV-1 genom en beräkningsmetod. De dockade ett bibliotek av små molekyler på RNA dynamiska strukturer genererade av NMR och Molecular Dynamics (MD) simuleringar. Träffmolekylerna hämmade Tat-TAR-interaktionen in vitro . De kom fram till en blymolekyl, netilmicin , som hade den bästa selektiviteten för HIV-1 TAR och hämmade HIV-1-replikation i celler med låg IC50. Disney-gruppen har studerat aminoglykosidderivat 2009 för deras förmåga att hämma interaktioner mellan upprepat RNA och proteiner. Med hjälp av sin förutsägelsedatabas INFORNA upptäckte de att en förening kunde binda till 1 x 1 UU interna loopar på en N-metylpeptidryggrad. De bekräftade att liksom andra föreningar som riktar sig mot DM1 r(CUG), kunde de hämma komplexet mellan r(CUG)-MBNL1, störa kärnhärdar och öka nukleocytoplasmatisk transport av genen i patienthärledda DM1- fibroblaster . I den studien beskrev Disney-gruppen också flera metoder för att validera RNA-målen för små molekyler. I det första tillvägagångssättet kallas kemisk tvärbindning och isolering genom neddragning (Chem-CLIP) och kemisk tvärbindning och isolering genom neddragning för att kartlägga bindningsställen (Chem-CLIP-Map).
Dessa studier visade i celler att små molekyler kan rikta in sig på sjukdomsframkallande r(CUG)-upprepningar i DM1 och att föreningen imponerande nog kan skilja mot andra RNA med kortare upprepningar och även mellan mutant- och vildtypsallelen av DMPK-mRNA:t som innehåller r (CUG) sjukdomsalstrande upprepningar. I ett ytterligare tillvägagångssätt visade kallad småmolekylär nukleinsyraprofilering genom klyvning applicerad på RNA (Ribo-SNAP) att små molekyler kan användas för att klyva RNA-mål i celler och visade också viktigt att designers små molekyler riktar sig mot exakt sjukdom som orsakar RNA-upprepningar och diskriminera RNA som inte är sjukdomsframkallande men som har korta upprepningar av r(CUG). Således kan inriktning på RNA-struktur med små molekyler ha viktiga selektivt diskriminerande implikationer i celler. [ citat behövs ]
Under 2014 rapporterade Chenowith och kollegor om en katjonisk triptycenställning som riktar sig mot RNA och DNA trevägsövergångar. Efterföljande studier visade att dessa molekyler uppvisade gynnsamt cellulärt upptag och cytotoxicitet i humana äggstockscancercellinjer. Under 2017 rapporterade Xodo-gruppen att antrafurandion och antratiofenedion små molekyler med aminoetylsidokedjor kunde binda till RNA G-quadraplexer vid 5'-UTR av vissa mRNA. Vidare visades dessa föreningar undertrycka KRAS -onkogenen i pankreascancerceller och inducera apoptos genom att reducera den metaboliska aktiviteten hos cellerna.
In vitro
2009 upptäckte Zimmerman-gruppen en förening för att rikta in sig på trinukleotidupprepning av expanderat RNA och DNA som orsakar DM1. Genom rationell design använde de en triaminotriazinigenkänningsenhet för att rikta in sig på TT- eller UU-felmatchningar genom ett bindningsläge av Janus Wedge-typ, vilket skapade en bastriplett med felmatchningen. Den kombinerade användningen av en akridininterkalator för att pi-pi-stapla på målet gav en nanomolär bindningsaffinitet för TT- eller UU-felmatchningar jämfört med andra. Tillsammans med hög bindningsaffinitet visades denna molekyl ersätta MBNL från komplexet med r(CUG) med en mikromolär Ki . Dessutom har HIV-1 RNA varit föremål för omfattande in vitro av RNA-bindande små molekyler. År 2007 använde Miller och medarbetare dynamisk kombinatorisk kemi för att screena ett föreningsbibliotek mot HIV-1 ramförskjutning av regulatoriskt stam-loop-RNA. De identifierade en träffförening som var selektiv för den regulatoriska sekvensen med mikromolär bindningsaffinitet.
2011 upptäckte Butcher och kollegor en ramskiftande stimulator (DB213) som band till HIV-1 FS RNA med måttlig bindningsaffinitet. En NMR-struktur av RNA i komplex med DB213 visade att den lilla molekylen band till huvudspåret i RNA-duplexet. Schneekloth och Hargrove har tagit ett annat tillvägagångssätt genom att rikta sig mot HIV-1 TAR RNA-hårnålen. I en liten molekyl mikroarray-screening identifierade Schneekloth-gruppen ett tienopyridinderivat som interagerar med HIV-1 TAR RNA hårnål. Ytterligare SAR-studier gav mer information om strukturen och bindningsläget. Blyanalogen befanns binda till 5'-UTR av HIV med en IC 50 på 40 μM för att ersätta en Tat-härledd peptid. Hargrove - gruppen utvecklade ett litet bibliotek av amiloridderivat med förändringar i C(5)- och C(6)-positionerna för att förbättra amilorids bindningsaffinitet till slingan och utbuktningen av HIV-1 TAR-RNA. Med hjälp av in vitro -studier och modellering hittade de en hitförening vars hämningsaktivitet ökade med mer än 100 gånger jämfört med moderamiloriden. Denna förening rapporteras vara en av de tätaste icke- aminoglykosid- TAR-ligander som hittills rapporterats.