Het mRNA-vaccin van Pfizer voor COVID heeft de passie voor het gebruik van ribonucleïnezuur (RNA) als therapeutisch doelwit weer aangewakkerd.Het richten op RNA met kleine moleculen is echter buitengewoon uitdagend.

RNA heeft slechts vier bouwstenen: adenine (A), cytosine (C), guanine (G) en uracil (U) dat thymine (T) in DNA vervangt.Dit maakt geneesmiddelenselectiviteit tot een bijna onoverkomelijk obstakel.Daarentegen zijn er 22 natuurlijke aminozuren die eiwitten vormen, wat verklaart waarom de meeste op eiwitten gerichte medicijnen een relatief goede selectiviteit hebben.

Structuur en functie van RNA

Net als eiwitten hebben RNA-moleculen secundaire en tertiaire structuren, zoals te zien is in onderstaande figuur.Hoewel het macromoleculen met een enkele keten zijn, krijgt hun secundaire structuur vorm wanneer basenparing uitstulpingen, lussen en helices veroorzaakt.Vervolgens leidt driedimensionale vouwing tot de tertiaire structuur van RNA, die essentieel is voor de stabiliteit en functie ervan.

Figuur 1. Structuur van RNA

Er zijn drie soorten RNA:

• Messenger-RNA (mRNA)transcribeert genetische informatie van DNA en wordt overgebracht als een basensequentie op het ribosoom;ik
• Ribosomaal RNA (rRNA)maakt deel uit van de eiwitsynthetiserende organellen, ribosomen genaamd, die worden geëxporteerd naar het cytoplasma en helpen bij het vertalen van informatie in mRNA naar eiwitten;
• Transfer-RNA (tRNA)is de schakel tussen mRNA en de aminozuurketen waaruit het eiwit bestaat.

Het richten op RNA als een therapeutisch doelwit is zeer aantrekkelijk.Het is gebleken dat slechts 1,5% van ons genoom uiteindelijk wordt vertaald in eiwit, terwijl 70% -90% wordt getranscribeerd in RNA.RNA-moleculen zijn de belangrijkste voor alle levende organismen.Volgens het 'centrale dogma' van Francis Crick is de belangrijkste rol van RNA het vertalen van genetische informatie van DNA naar eiwitten.Bovendien hebben RNA-moleculen ook andere functies, waaronder:

• Fungeren als adaptermoleculen bij eiwitsynthese;ik
• Dienen als een boodschapper tussen DNA en het ribosoom;ik
• Ze zijn dragers van genetische informatie in alle levende cellen;ik
• Bevordering van de ribosomale selectie van de juiste aminozuren, wat nodig is voor het synthetiseren van nieuwe eiwittenin leven.

antibiotica

Ondanks dat het al in de jaren veertig werd ontdekt, werd het werkingsmechanisme van veel antibiotica pas eind jaren tachtig opgehelderd.Het is gebleken dat een groot deel van de antibiotica werkt door zich te binden aan bacteriële ribosomen om te voorkomen dat ze geschikte eiwitten maken, waardoor de bacteriën worden gedood.

Aminoglycoside-antibiotica binden bijvoorbeeld aan de A-plaats van 16S-rRNA, dat deel uitmaakt van de 30S-ribosoomsubeenheid, en interfereren vervolgens met de eiwitsynthese om de bacteriegroei te verstoren, wat uiteindelijk leidt tot celdood.De A-site verwijst naar de aminoacyl-site, ook wel bekend als de tRNA-acceptorsite.De gedetailleerde interactie tussen aminoglycosidegeneesmiddelen, zoalsparomomycine, en de A-site vanE coliRNA wordt hieronder weergegeven.

Figuur 2. De interactie tussen paromomycine en de A-site vanE coliRNA

Helaas hebben veel A-site-remmers, waaronder aminoglycosidegeneesmiddelen, veiligheidsproblemen zoals nefrotoxiciteit, dosisafhankelijke en specifieke onomkeerbare ototoxiciteit.Deze toxiciteiten zijn het resultaat van een gebrek aan selectiviteit in aminoglycosidegeneesmiddelen voor het herkennen van kleine RNA-moleculen.

Zoals te zien is in de onderstaande afbeelding: (a) de structuur van de bacteriën, (b) het menselijke celmembraan en (c) de menselijke mitochondriale A-site lijken erg op elkaar, waardoor A-site-remmers zich aan allemaal binden.

Figuur 3. De niet-selectieve A-site-remmerbinding

Tetracycline-antibiotica remmen ook de A-site van rRNA.Ze remmen selectief de bacteriële eiwitsynthese door reversibel te binden aan een spiraalvormig gebied (H34) op de 30S-subeenheid gecomplexeerd met Mg²⁺.

Aan de andere kant binden macrolide-antibiotica nabij de uitgangsplaats (E-site) van de bacteriële ribosoomtunnel voor ontluikende peptiden (NPET) en blokkeren deze gedeeltelijk, waardoor de bacteriële eiwitsynthese wordt geremd.Ten slotte zijn oxazolidinon-antibiotica zoalslijnzolid(Zyvox) binden aan een diepe spleet in de bacteriële 50S ribosomale subeenheid, die omgeven is door 23S rRNA-nucleotiden.

Antisense-oligonucleotiden (ASO)

De antisense-geneesmiddelen zijn chemisch gemodificeerde nucleïnezuurpolymeren die zich richten op RNA.Ze vertrouwen op Watson-Crick-basenparing om te binden aan doel-mRNA, wat resulteert in genuitschakeling, sterische blokkade of splitsingsverandering.ASO's kunnen interageren met pre-RNA's in de celkern en rijpe mRNA's in het cytoplasma.Ze kunnen zich richten op exons, introns en onvertaalde regio's (UTR's).Tot op heden zijn meer dan een dozijn ASO-geneesmiddelen goedgekeurd door de FDA.

Figuur 4. Antisense-technologie

Geneesmiddelen met kleine moleculen gericht op RNA

In 2015 meldde Novartis dat ze een SMN2-splitsingsregulator genaamd Branaplam hadden ontdekt, die de associatie van U1-pre-mRNA verbetert en SMA-muizen redt.

Aan de andere kant werd Risdiplam (Evrysdi) van PTC/Roche in 2020 door de FDA goedgekeurd voor de behandeling van SMA.Net als Branaplam werkt Risdiplam ook door de splitsing van relevante SMN2-genen te reguleren om functionele SMN-eiwitten te produceren.

RNA-afbrekers

RBM staat voor RNA-bindend motief eiwit.Indoolsulfonamide is in wezen een moleculaire kleefstof.Het rekruteert selectief RBM39 voor de CRL4-DCAF15 E3 ubiquitine-ligase, waardoor RBM39-polyubiquitinatie en eiwitafbraak wordt bevorderd.Genetische uitputting of sulfonamide-gemedieerde afbraak van RBM39 induceert significante genoombrede splitsingsafwijkingen, die uiteindelijk leiden tot celdood.

RNA-PROTAC's zijn ontwikkeld om RNA-bindende eiwitten (RBP's) af te breken.PROTAC gebruikt een linker om de E3-ligaseligand te verbinden met de RNA-ligand, die bindt aan RNA en RBP's.Aangezien RBP structurele domeinen bevat die kunnen binden aan specifieke oligonucleotidesequenties, gebruikt RNA-PROTAC een oligonucleotidesequentie als een ligand voor het eiwit van interesse (POI).Het uiteindelijke resultaat is de afbraak van RBP's.

Onlangs heeft professor Matthew Disney van de Scripps Institution of Oceanography het RNA uitgevondenribonuclease-gerichte chimaera's (RiboTAC's).RiboTAC is een heterofunctioneel molecuul dat een RNase L-ligand en een RNA-ligand verbindt met een linker.Het kan specifiek endogeen RNase L rekruteren voor specifieke RNA-doelen en vervolgens met succes RNA elimineren met behulp van het cellulaire nucleïnezuurafbraakmechanisme (RNase L).

Naarmate onderzoekers meer leren over de interactie tussen kleine moleculen en RNA-doelen, zullen er in de toekomst meer geneesmiddelen verschijnen die deze methode gebruiken.