醫學

RNA未來醫療新勢力

過去RNA一直被當成細胞裡的灰姑娘,執行細胞裡的基本工作,如今卻成為未來醫學深具治療潛力的新星。幾十年來的RNA研究新見解,讓科學家在面對許多棘手疾病時,以RNA做為治療工具,開創RNA醫療的新境界。

撰文/高曼(Christine Gorman)、馬隆(Dina Fine Maron)
翻譯/林雅玲

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RNA未來醫療新勢力

過去RNA一直被當成細胞裡的灰姑娘,執行細胞裡的基本工作,如今卻成為未來醫學深具治療潛力的新星。幾十年來的RNA研究新見解,讓科學家在面對許多棘手疾病時,以RNA做為治療工具,開創RNA醫療的新境界。

撰文/高曼(Christine Gorman)、馬隆(Dina Fine Maron)
翻譯/林雅玲

重點提要
■DNA、RNA和蛋白質是生物體最重要的三種分子。幾十年來,生物學家認定細胞裡最活躍的是DNA和蛋白質,RNA主要提供支援。
■20世紀末的一連串發現顯示,數種類型的RNA在細胞裡發揮活躍的調控作用,決定了要製造哪些蛋白質以及產量,甚至能完全抑制多種基因的活性。
■這些最新發現,讓科學家開創了實驗性的RNA治療,用來對抗細菌、病毒、癌症和許多慢性疾病,比起目前可供使用的藥物更有效、也更精準。

自從科學家在1953年解出DNA的雙螺旋結構,分子生物學故事裡登場的角色已經比一部俄羅斯小說還要多。生物學家已找出上萬個分子,它們能引導並塑造人體細胞裡有組織與秩序的狀態,研究人員也利用這些研究結果開發了上千種藥物和療法。

幾十年來,分子生物學的醫學研究進展來自兩種著名的生物分子:去氧核糖核酸(DNA)與蛋白質。蛋白質的發現引領了醫療進展,包括人工合成胰島素、干擾素和新一代抗癌藥物。而利用修飾DNA片段進行的基因療法,在治療血友病、遺傳性失明和其他棘手的疾病也取得進展。

在這些醫療進展過程被忽視的是第三種生物分子:核糖核酸(RNA)。RNA就像它有名的姊妹DNA一樣含有遺傳訊息,但它的化學性質比DNA不穩定,在細胞質的動盪環境裡往往會被酵素分解。

雖然科學家早就知道RNA幾乎密切參與所有的細胞生理機制,不過在大多數生物醫學的革命中,他們只賦予RNA支持性的角色,被掩藏在DNA和蛋白質的影子裡。1950和1960年代,生物學家認為RNA就像灰姑娘,負責運送訊息、協調物資和維持細胞的清潔,這樣的觀念已經定型幾十年了。

不過在幾位科學教父、教母出現後,給了灰姑娘RNA驚人的改造。20世紀末的一連串發現揭露了新的RNA類型,它們完全不是不起眼的女佣,相反地,這些RNA分子調控DNA和蛋白質行為的程度令人驚歎,它們能讓特定分子的活性增加或減少。藉由操控RNA,科學家有可能發展出癌症、傳染病和許多慢性疾病的新療法。

近10年來,研究人員競相應用這個新發現。探索的步伐加快了,已經有數十家新創企業投資,有幾個具有潛力的療法正在醞釀中。

同時,早期財務投資涓涓細流般的挹注已經變成數十億美元的洪流。在新創企業裡,2013年底成立的愛迪塔斯醫藥公司獲得4300萬美元的創業投資,該公司集中精力發展最熱門的嶄新RNA技術,稱為「群聚且有規律間隔的短回文重複序列」(clustered regularly interspaced short palindromic repeats, CRISPR)。另一家早先於2002年成立的阿尼藍製藥公司,在今年1月獲得七億美元的投資,其中包含研發RNA藥物以治療破壞性血液疾病、肝臟疾病和免疫疾病。

愛西絲製藥公司負責腫瘤和研發部門的副總裁麥克勞德(Robert MacLeod)表示,湧入的資金投資猶如「浪潮」,該公司從1989年成立至今,已籌資了將近38億美元。愛西絲製藥公司的主打產品Kynamro(一種RNA藥物)在2013年獲得美國食品及藥物管理局(FDA)核准用來治療一種罕見的遺傳疾病,這種疾病會嚴重干擾膽固醇代謝,讓患者身陷心臟病和中風的高風險中。

就像其他迅速擴大的領域一樣,一路走來,RNA醫療也曾顛簸迂迴,也不是所有的發現都耐得住時間的考驗。不過醫學研究人員就像找到新大陸般興奮,不斷探索可能的突破。


細胞舞台上的配角


我們很容易理解為何分子生物學家指定DNA或蛋白質為主角,而非RNA。DNA的主要成份腺嘌呤、胸腺嘧啶、胞嘧啶和鳥糞嘌呤(分別簡稱為A、T、C和G),幾乎組成了地球上所有生物的基本藍圖。DNA所負責最重要的程序之一,便是提供製造蛋白質的密碼。


蛋白質的角色是賦予細胞立體結構,讓細胞能執行許多工作,是皮膚保持青春的泉源、也讓心臟持續跳動。蛋白質會根據環境因子啟動或關閉DNA活性、決定細胞如何運用醣類以及調節腦神經元傳遞訊息的能力。目前絕大多數藥物(包括阿斯匹靈和樂復得)的作用機制,都是透過操控蛋白質,無論是阻斷它們的功能或改變含量。


雖然大多數藥物是影響蛋白質,但並不表示研究人員能開發出所有目標蛋白質的藥物。最常見的藥物是能在吞下後並通過胃內酸性環境的小分子,一旦被消化系統吸收,它們必須結合到目標蛋白質的活性部位上,就像鎖鑰般契合。不過對於特定類型的蛋白質,這種傳統方法行不通。麥克勞德表示,這些蛋白質有的把活性部位深埋在內部狹窄通道裡,有的甚至沒有活性部位,它們是細胞內部骨架的一部份,因此歸類為「無藥可治」。


新型RNA藥物正是設計用來克服這種障礙,不過直到最近,科學家才更為了解它們的作用方式。正如生物學家早就知道的,RNA是多才多藝的中間分子,能把DNA指令轉錄成互補序列(例如讓每個G都配上C),接著把密碼轉譯成立體的蛋白質。此類信使RNA(mRNA)在細胞核製造,被運送到細胞質後,核糖體和轉移RNA(tRNA)會合作讀取這些訊息,並把胺基酸連接為蛋白質長鏈。不過,RNA能做的不只這些。


巨星誕生


1993年首次發現微RNA(miRNA),奠定了之後RNA突破表現的基礎。這些非典型的RNA短鏈會附著到mRNA上,阻止核糖體製造蛋白質(參見第55頁〈RNA的閃亮新角色〉)。細胞顯然使用miRNA協調眾多蛋白質的製造計畫,尤其是在生物體早期發育階段。五年後,研究人員有一項突破性的進展:他們證實不同RNA短鏈分子是經由切割mRNA,有效阻止基因轉譯為蛋白質。這項具有里程碑意義的發現,在2006年獲頒諾貝爾獎。


至此,研究人員對於利用這個曾被忽視的分子影響蛋白質形成的機制才感到興趣。RNA短鏈分子能破壞mRNA的現象稱為「RNA干擾」(RNA interference, RNAi),而這種RNA分子則命名為「短小干擾RNA」(small interfering RNA, siRNA)。同時,許多其他研究領域的科學家意識到,可以往上一層到製造蛋白質的RNA層級,來對付無藥可治的蛋白質。


迄今,美國政府的臨床試驗資料庫已登錄了200多筆miRNA或siRNA的實驗研究,涵蓋診斷或治療多種疾病,包括自閉症和皮膚癌。其中最有潛力的是治療伊波拉病毒,這是極其致命的病原體,恐怖主義專家擔心它可能會成為生化武器;另外則是治療C型肝炎,世界各地總共約有1500萬人長期感染C型肝炎,C型肝炎也是肝癌的主因。


該誰上場了?


雖然miRNA或siRNA成為臨床用藥的路程還很遙遠,不過已經有其他種類的RNA小明星等在幕後。這些潛力藥物的作用目標更為上游,直接作用在DNA分子上。其中一個策略奠基於CRISPR序列,它出現在許多單細胞生物體內的DNA上,《科學》期刊曾熱烈地描述這股「CRISPR熱潮」。另一種新分子是「非編碼RNA長鏈」(long noncoding RNA, lncRNA),不過它的效用仍面臨質疑。


CRISPR代表的全名是「群聚且有規律間隔的短回文重複序列」,是在細菌和太古生物(類似細菌的生物體)裡找到的古怪DNA的重複序列。這些奇特的序列會與「CRISPR結合蛋白質Cas」相互作用。CRISPR序列和多種Cas蛋白質共同組成微生物對抗病毒的防禦系統。


Cas蛋白質的任務是把DNA切為兩半,它們藉由RNA互補鏈被引導到病毒DNA的特定序列。這些RNA從何而來?它們來自柔道的微觀版本:細胞從入侵病毒身上擷取這些RNA,把它們轉變成雙面間諜,引導Cas蛋白質到所需要切割的病毒DNA精確位置。雖然科學家早在1987年就發現細菌的CRISPR片段,但直到2012年才開始廣泛把這個系統導入動物組織(包括人類)。研究人員自製所需的RNA分子,指引Cas蛋白質切割細菌細胞核裡的DNA分子,而且位置相當精準。就本質而言,科學家是把細菌的防禦機制轉化成精準的基因編輯工具。


這種精緻的標靶技術很有可能帶來基因治療的革命,而且可能很快就會發生。


目前臨床研究人員只能把正確的DNA注入帶有缺陷基因的患者身上,這是亂槍打鳥的策略,目的是希望至少有部份遺傳物質能在正確位置開始運作。發展成熟的CRISPR/Cas技術可改善這個情形,它能讓研究人員瞄準病人體內應該修改的DNA。美國哈佛醫學院的遺傳學教授邱契(George M. Church)是愛迪塔斯醫藥公司的共同創辦人,也是Scientific American的顧問,他說:「明年我們就會發現不少採用CRISPR的基因治療試驗。」接著又進一步補充說:「科學家運用這個細菌系統時只需做出極小的改變,基本上這是可立即使用的技術。幾乎所有製造出來的引導RNA都能就定位並運作。這個技術很有效率,而且改變是永久的。」


邱契預期愛迪塔斯醫藥公司在完成首次動物實驗後,將朝向臨床試驗邁進。其他以CRISPR技術為核心的新創公司還包括馴鹿生物科學公司和Egenesis。


最新發現的一種RNA分子,是最富爭議的lncRNA。科學家在2002年首度描述了這種分子,這些不尋常的長鏈lncRNA來自細胞核,乍看很像是mRNA,不同之處在於它們缺乏啟動蛋白質轉譯程序的特定序列。


細胞額外製造這些RNA分子有何用途呢?其中一些RNA分子無疑是源於早期正常基因的轉錄,只是現在該基因受損而失去功能。(遺傳學革命裡最驚人的發現之一,是細胞核中幾乎所有的DNA都會被轉錄,不只是那些具有蛋白質編碼的序列。)其他RNA分子可能是很久以前某些病毒攻擊造成的遺跡,這類病毒能把遺傳物質嵌入宿主DNA裡,藉此讓病毒DNA世代相傳。


然而,是否有部份的lncRNA能以未知的方式調控基因表現?這種調控方式不需藉由有潛在危險的突變造成,也無須仰賴蛋白質的主導。哈佛大學的RNA研究人員瑞恩(John Rinn)建議,我們可以把DNA的摺疊想像成摺紙。現在我們手上有兩張同樣的紙,可以摺成飛機或紙鶴,而lncRNA某種程度上是在推動DNA朝向正確的步驟前進。舉例來說,摺紙時稍微不慎就可能造成紙鶴沒了翅膀,而太多的非編碼RNA可能會引發腫瘤生長,即使細胞裡的基因完全沒有發生突變。


研究人員也正探索lncRNA分子可能扮演的其他角色,例如它們可能會和DNA的不同部位結合,改變DNA的立體構形,已便暴露出帶有編碼的區段以進行(或停止)下一個遺傳步驟。


科學家還提出許多其他類型的非編碼RNA,目前正在驗證它們是重要的遺傳調節者,或根本不存在。研究非編碼RNA其中的一個挑戰,是它們並不製造蛋白質,這使得科學家很難證明它們能發揮重要功能。澳洲加爾文醫學研究所所長麥惕克(John Mattick)是研究非編碼RNA的先驅,他說:「我認為目前只是起步,最後會匯流成一個全新的世界。」


在此同時,我們發現設計與測試中的RNA化合物作用相當廣泛,這引出了RNA最吸引人的特質:單純。要開發有效針對蛋白質的藥物,研究人員通常必須先解出蛋白質的立體結構,相反地,RNA基本上只包含平面序列(目前暫且不談那些可以摺疊成形的RNA)。愛西絲製藥公司的麥克勞德表示:「RNA把三維的立體難題降為二維的線性問題,研究人員不再需要尋找鎖鑰策略裡必須與蛋白質完全契合的小分子。」由於人類基因組計畫的成果,研究人員已找出基因組裡最重要的序列。他們需要做的只是合成互補RNA,就已經完成最關鍵的一步了。


當然,釐清如何把理論付諸實踐仍然需要努力,不過至少,現在已經出現神奇玻璃鞋的有緣人了。


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