综述 | 北大伊成器团队全面总结RNA精准靶向与干预的化学生物学研究进展及前景

核糖核酸（RNA）作为一种高分子聚合物，既是遗传信息的载体，也是生命活动中动态的调控者。由于其多样的化学修饰、高度构象灵活性以及明确的分子识别原则，RNA成为功能干预的理想靶点。

近年来，化学生物学的飞速发展极大地扩展了识别和操控RNA分子的方法，这些技术不仅推动了基础研究的深入，也为临床治疗开辟了新途径。

近期，北京大学伊成器团队在SCIENCE CHINA Chemistry上发表了题为“Chemical biology of precise RNA targeting and intervention: advances and perspectives”的综述文章。该文系统总结了当前用于精准RNA靶向的化学与分子工具，涵盖了基于寡核苷酸、小分子、CRISPR和工程化RNA结合蛋白等多种策略。

综述整理

一、RNA精准靶向的生化策略

精准的RNA靶向是所有功能干预的基础。近年来，化学生物学领域涌现出多种高效、特异且适应性强的RNA靶向工具。

1.1) 基于寡核苷酸的靶向策略

这类策略利用碱基互补配对原则，是最成熟和应用最广泛的RNA靶向方法。

• 反义寡核苷酸 (ASOs): 短的单链核酸通过与靶标mRNA结合，或招募RNase H降解mRNA，或通过空间位阻调控剪接和翻译。目前已有12款ASO药物获FDA批准，用于治疗遗传性疾病、神经退行性疾病和代谢病等。

  
  

• 小干扰RNA (siRNAs): 短的双链RNA，通过引导RISC复合物切割靶标mRNA，实现高效的基因沉默。已有7款siRNA药物获批，主要通过GalNAc偶联靶向肝脏。

  
  

• microRNA (miRNAs): 内源性小RNA，通过不完全互补结合靶标mRNA的3' UTR，调控基因表达网络。Antagomirs（抑制剂）和miRNA mimics（模拟物）是主要的治疗策略。

  
  

• snoRNA/scaRNA: 作为天然的RNA修饰引导模块，工程化的snoRNA/scaRNA可被用于引导内源性酶到特定位点进行修饰（如假尿苷化），或调控剪接。

  
  

1.2) 基于小分子的靶向策略

与依赖序列的寡核苷酸不同，小分子通过识别RNA复杂的三维结构（如凸起、环、假结）来发挥作用，具有良好的细胞渗透性和口服给药潜力。

• 核糖体结合剂: 许多抗生素（如氨基糖苷类、四环素）通过结合细菌rRNA的关键功能位点来抑制蛋白质合成。

  
  

• 翻译抑制剂: 靶向mRNA 5' UTR的结构元件，阻断核糖体扫描，选择性抑制癌基因（如KRAS、MYC）的翻译。

  
  

• 剪接调节剂: 通过稳定或破坏pre-mRNA上的调控结构，改变剪接结果。FDA批准的Risdiplam即为此类药物。

  
  

• 核糖开关调节剂: 模拟天然代谢物，结合细菌mRNA的核糖开关，从而调控基因表达，具有抗菌潜力。

  
  

1.3) 基于CRISPR的可编程RNA靶向系统

CRISPR系统被改造后，可实现高度可编程的RNA靶向和功能干预。

• VI型CRISPR-Cas13系统: Cas13蛋白在crRNA引导下，特异性结合并切割单链RNA。其多个亚型（如Cas13a, b, d, X, Y）各有特点，其中紧凑的Cas13X/Y更适合病毒载体递送。

  
  

• III型CRISPR-Cas系统: 如Csm复合物和Cas7-11，通过多亚基复合物识别并切割RNA。与Cas13相比，III型系统通常没有“附带切割”活性，特异性更高、更安全。

  
  

1.4) 无CRISPR的、基于RNP的靶向系统

• MS2-MCP和λN-BoxB系统: 通过在靶标RNA上插入特定的发夹结构（MBS或BoxB），招募与之结合的蛋白（MCP或λN）及其融合的效应蛋白。

  
  

• SNAP-tag和HaloTag系统: 利用化学诱导的共价连接，将效应蛋白招募到带有特定化学标签的RNA上。

  
  

1.5) 纯蛋白的RNA靶向系统

这类系统完全不依赖gRNA，仅通过蛋白质自身实现序列特异性识别。

• PUF蛋白: 由多个重复模块组成，每个模块识别一个RNA碱基。通过组合不同的模块，可设计出能识别特定8-nt序列的蛋白。

  
  

• PPR蛋白: 主要存在于植物中，具有更长的识别序列（10-20个或更多），尤其适用于靶向线粒体等细胞器内的RNA。

  
  

二、RNA功能的化学修饰与干预

在精准靶向的基础上，研究人员开发了多种功能干预技术，实现了在RNA水平上对基因表达的精确调控。

2.1) RNA修饰的干预

RNA修饰（表观转录组）是调控RNA命运的关键，干预其“写入”、“擦除”和“读取”过程，已成为重要的治疗策略。

• 检测技术: m⁶A-seq、GLORI、DART-seq等高通量测序技术实现了对m⁶A、Ψ、m⁵C等多种修饰的单碱基、定量检测，为精准干预奠定了基础。

  
  

• 干预策略:

  
  

    i.小分子抑制剂: 针对m⁶A去甲基化酶FTO和ALKBH5或甲基转移酶METTL3的抑制剂，已在AML、胶质母细胞瘤等临床前模型中显示出显著的抗肿瘤效果。

    ii. 可编程修饰编辑: 将dCas13与修饰酶（写入器或擦除器）融合，可实现对特定转录本上特定位点的m⁶A、m⁵C等修饰的精准添加或去除。

2.2) 基于RNA碱基编辑的功能干预

RNA碱基编辑技术能够在不改变基因组DNA的情况下，对RNA序列进行精确的纠错或改写。

• A-to-I编辑: 利用内源或外源的ADAR酶将腺嘌呤（A）编辑为肌苷（I），后者在翻译中被识别为鸟嘌呤（G）。基于dCas13-ADAR融合蛋白的REPAIR系统，以及招募内源ADAR的LEAPER和RESTORE系统，已成功用于在动物模型中纠正杜氏肌营养不良（DMD）和α1-抗胰蛋白酶缺乏症等疾病的致病突变。

  
  

• C-to-U编辑: 利用dCas13融合APOBEC等胞嘧啶脱氨酶，实现胞嘧啶（C）到尿苷（U）的转换。RESCUE系统已成功用于编辑癌基因CTNNB1。

  
  

• U-to-Ψ编辑: 利用工程化的snoRNA招募内源性酶，将过早终止密码子（PTC）中的尿苷（U）转换为假尿苷（Ψ），从而抑制翻译终止，实现通读，恢复全长蛋白的合成。RESTART系统已在囊性纤维化等模型中验证了其治疗潜力。

  
  

2.3) 长片段RNA的操控

针对长基因或复杂突变，研究者们开发了在RNA水平直接修复或替换缺陷片段的技术。

Splice Editing、RESPLICE和CRAFT等系统利用dCas13引导一个外部提供的修复模板，通过反式剪接将错误的外显子替换掉。

2.4) 化学诱导与光激活的RNA碱基编辑

为实现对RNA干预时空的精准控制，开发了多种诱导系统。

• 化学诱导: 利用四环素或雷帕霉素等小分子，控制编辑工具的表达或通过诱导蛋白二聚化来激活其功能。

  
  

• 光激活: 利用光敏保护基团锁住引导RNA或编辑酶的活性，通过特定波长的光照实现定点、定时的解锁和激活，提供了无与伦比的时空分辨率。

  
  

总结与展望

RNA靶向与干预的化学生物学领域正在以前所未有的速度发展。从ASO、siRNA的临床成功，到CRISPR-Cas13、RNA碱基编辑器的强大功能，再到化学诱导系统的精妙控制，我们已经拥有了日益丰富的工具箱来精确调控RNA。当前的主要挑战仍在于递送效率和脱靶效应，高效、组织特异性的递送系统是所有RNA疗法成功的基石。

未来的发展方向将集中于：1) 开发更安全、高效的递送载体（如新型LNP、工程化AAV）；2) 利用AI和深度学习优化工具设计，提高靶向特异性；3) 整合合成生物学，构建能够响应内源性疾病信号的“智能”RNA干预系统。通过融合化学生物学、分子工程和人工智能，RNA靶向干预技术正从基础研究工具走向临床现实，有望为癌症、遗传病和神经退行性疾病等多种顽疾提供革命性的治疗方案。