RNA靶向小分子的结构机制研究突破

2025-05-09 Fri
学术背景RNA作为遗传信息载体和功能分子，长期以来被认为是”不可成药”的靶点。近年来，随着对RNA结构生物学认识的深入，科学家们开始探索靶向RNA的小分子药物开发。然而，这一领域面临三大核心挑战：(1) 缺乏系统化的RNA-配体识别规律；(2) 大尺寸RNA-小分子复合物的高分辨率结构解析困难；(3) 功能性RNA配体的筛选方法有限。
本研究针对真菌病原体中广泛存在的group I intron（I类内含子）这一特殊RNA结构，通过整合高通量筛选、药物化学和冷冻电镜技术，首次实现了对大型催化性RNA的从头配体设计及高分辨率结构解析。该工作为RNA靶向药物开发提供了重要的分子机制模板。
论文来源本研究成果由Yale大学Anna Marie Pyle教授团队领衔完成，第一作者为Tianshuo Liu、Ling Xu和Kevin Chung，合作单位包括HHMI和New England Discovery Partners。论文于2025年5月8日发表在《PNAS》期刊（vol. 122, no. 19），标题为”Molecular insights into de novo small-molecule recognition by an intron RNA structure”。
研究流程详解1. 高通量筛选平台建立研究对象：白色念珠菌(Candida albicans)线粒体中的group IA1型内含子（c.a.mtlsu）
创新方法：
- 开发分子信标(molecular beacon)荧光检测系统：通过特异性识别自剪接产生的外显子连接序列，实现剪接活性的实时监测
- 采用Enamine RNA靶向化合物库（约10万种化合物）进行初筛
关键数据：
- 初筛命中率0.2%
- 先导化合物Z3686288076的IC50为0.84 μM
- 动力学分析证实其为鸟苷酸(GMP)竞争性抑制剂（Ki=0.67 μM）
2. 结构-活性关系(SAR)研究药物化学优化：
- 对先导化合物进行三环结构(A/B/C环)系统性修饰
- 采用放射性同位素剪接实验评估活性
重要发现：
- B环的立体构型和环状结构非必需（化合物9-10）
- 末端伯胺基为关键药效团（化合物7/8/14活性丧失）
- A环N1原子不可或缺（化合物16活性下降200倍）
- 2-氨基嘧啶为核心识别骨架（化合物23无活性）
优化结果：
- 简化化合物11（乙二胺替代B环）活性提升至0.21 μM
- 最佳化合物17 IC50达86 nM
3. 冷冻电镜结构解析样品制备：
- 构建A9U突变体稳定P1螺旋
- 分别用Mg²⁺和Ca²⁺条件制备RNA-配体复合物
数据采集：
- Titan Krios 300kV电镜
- Falcon 4i直接电子探测器
- 总数据量：16,185张（Ca²⁺）和8,983张（Mg²⁺）显微图
结构解析：
- cryoSPARC 4.4.1处理流程
- 局部分辨率达2.25Å（配体结合区）
- 配体Q-score 0.79（预期值0.65@2.5Å）
主要研究发现1. 配体识别分子机制碱基模拟：
- 2-氨基嘧啶模拟鸟嘌呤，与G154:C258形成碱基三重体
- 末端氨基与A152/A253磷酸基形成静电网络（距离Å）
金属离子可塑性：
- 催化金属Mc因配体几何变化而缺失
- 结构金属Me通过水分子与配体桥接氮形成氢键
- 解释了化合物13（S替代N）活性丧失的原因
2. RNA构象动态响应ωG门控机制：
- 内含子末端的ωG核苷酸（G316）形成非经典碱基三重体
- 空间位阻效应稳定配体结合
P1螺旋位移：
- 剪接位点磷酸基移动4.6Å
- 5’外显子折叠形成三螺旋结构
- 解释了剪接活性抑制的结构基础
3. 独特结构模块P7ext支架功能：
- P11假结(pseudoknot)稳定P7ext-P6连接
- A-minor基序介导P7ext-P9.1远程相互作用
- 四链非经典碱基堆叠平台（P3/P7/P7ext/J8/7）
研究结论与价值科学意义RNA靶向设计原则：确立了氨基嘧啶-乙二胺作为RNA靶向的通用药效团
动态识别机制：揭示RNA通过金属离子协调和构象可塑性实现特异性识别
结构生物学突破：首次实现2.4Å分辨率的大型RNA-小分子复合物解析
应用价值抗真菌药物开发：针对病原真菌保守的group I内含子设计特异性抑制剂
RNA靶向平台：建立从筛选到结构解析的完整工作流程
计算生物学支持：为RNA结构预测和虚拟筛选提供高质量模板数据
研究亮点方法学创新：首次将冷冻电镜应用于RNA-小分子复合物的高分辨率解析
动态视角突破：捕捉到金属离子协调和RNA构象的配体响应性变化
转化医学价值：证明功能性RNA靶向药物的合理设计可行性