背景介紹
近年來，研究人員已經確定了某些RNA可作為小分子治療幾種人類病理的藥物靶點。然而，由于其固有的結構靈活性和較差的結構-功能關系，對這些RNA的調控是極具挑戰性的目標。因此，研究人員對標準的藥物發現方法進行了調整，以識別和優化RNA靶向小分子。結構化RNA是藥物發現的一個突破，這些分子調節著許多重要的細胞功能，它們參與了從癌癥到病毒和細菌感染等多種人類病理的發展。利用小分子藥物可以靶向結構化RNA，從而有益地調節其生物學功能。RNA特異性計算工具的發展，有望幫助RNA靶向藥物的合理設計，就像類似的工具可幫助蛋白質靶向小分子藥物的發現一樣。在此背景下，研究者在這篇綜述中，概述了調控RNA的結構和功能特征，并通過代表性的案例研究，批判性地審視了分子建模、對接和模擬的威力和挑戰，以及基于RNA靶向結構的藥物設計中計算工具與實驗方法的協同互聯。相關的綜述以“Computer-aided design of RNA-targeted small molecules: A growing need in drug discovery”為題發布在國際著名期刊Chem上。
小分子可以靶向功能性重要的結構化RNA
RNA分子可以控制重要的細胞過程，如翻譯、剪接、基因表達、免疫和代謝蛋白調控等。這些RNA分子，通常采用對其功能至關重要的復雜三級結構。而有機小分子化合物可以對RNA的3D結構進行精確靶向，尤其是靶向RNA的蛋白質識別位點。在其他情況下，結構化RNA在功能水平上也可以由有機小分子進行調節。RNA的3D結構，也可能是調節其長鏈非編碼RNA(lncRNAs)功能的關鍵(長鏈非編碼RNA是一種新發現的轉錄本，通過表觀遺傳機制參與基因表達調控和染色質結構)。種種研究表明，ncRNA結構，在調節關鍵細胞過程中發揮著非常重要的作用。同時，結構化RNA也是許多嚴重疾病治療的潛在靶點，包括從癌癥到病毒和細菌感染等等。
RNA結構的實驗測定正在獲得動力
并將促進計算研究
RNA結構，是影響RNA功能的關鍵因素。然而，RNA的結構測定具有挑戰性，而且進展并不像其他生物大分子(如蛋白質)那樣迅速。截至2021年4月1日，核酸數據庫中只包含了906種RNA-小分子復合物晶體，這里面還包括了細菌rRNA和抗生素類小分子的復合物晶體，這些晶體結構，正幫助研究人員了解氨基糖苷類藥物的作用模式，并可能促使發現克服細菌多藥耐藥的新藥。
預測、建模和設計RNA結構的計算方法
(1)?基于RNA序列的從頭RNA 3D結構預測?
未知RNA三維結構的預測通常采用從頭算(或者無模板)方法，可分為基于物理的方法和基于片段的方法?；谖锢淼姆椒?，是利用分子動力學(MD)或蒙特卡羅(MC)框架中的參數化能量函數，來識別給定RNA序列的最低自由能構象。其中，有三種基于物理無模板的免費工具：iFoldRNA、NAST和SimRNA。無模板的基于片段的方法，使用了RNA結構模塊化的概念，基于此，相似的RNA子序列可以折疊成與整體結構無關的相似的3D模塊(即發夾環、假結、凸起)。其相關的工具包括：FARFAR、RNAComposer、Vfold3D等。
(2) 基于實驗二級結構數據的RNA三維結構預測
值得注意的是，3D RNA模型的預測，也可以得益于RNA二級結構的化學制圖(即通過諸如SHAPE或DMS探測等技術實現的)或RNA三級相互作用(即通過羥基自由基足跡或基于交聯的技術獲得的，如PARIS)所產生的結構數據。事實上，這些結構數據可以包含在靶向RNA的3D建模中，以支持先驗已知結構基序(例如螺旋)的計算，而這些結構基序的折疊尚未計算。
(3) RNA 3D結構的同源建模
同源建模方法，需要一個或多個完整RNA模板的3D結構來生成查詢序列的3D模型，目前主要包括兩個計算工具：RNABuilder和ModeRNA。盡管存在諸多局限性，但同源建模已經成功地預測了復雜的RNA結構，如識別和正確塑造RNA配體的結合位點。
(4)?新型結構化RNA分子的計算設計
3D RNA結構的預測，還可用于識別和設計基于RNA治療的具有特定結構特性的新型RNA分子(例如，合成RNA適配體用于生物標記物的選擇性結合)。例如，Schlick實驗室利用基于片段的RNA結構設計方法，就是建立在RNA-as-graph (RAG)粗?；蚣苤?。這種方法允許從高抽象水平(即圖形)開始設計新的RNA分子，這意味著不需要先驗地知道RNA靶標的信息。
綜上所述，這些方法和方式，展示了計算科學界的密集研究活動是如何推動了3D RNA建模的多種方法的持續和快速發展，以解決復雜RNA基序具有挑戰性的結構預測。
移動中的RNA：利用分子動力學模擬來探索RNA的功能靈活性
(1) RNA力場：最新的改進和目前的限制
分子力學力場近似于粒子間的相互作用。力場可以分為兩大類：全原子和粗?；?。直觀地，根據全原子表示，系統的每個原子被定義為一個模型粒子。而粗?；Ｍㄟ^將特定的原子組分組成所謂的珠子，每個珠子代表一個給定的結構特征(例如，糖、堿基和主干)，從而降低了模擬一個大系統的成本。粗?；Ｐ?，雖然可以有效地再現大RNA分子的物理化學特性。然而，忽略原子細節，會導致計算機輔助藥物設計的重大缺點，妨礙藥物-靶標相互作用的準確識別。最近的一些研究，已經提高了全原子經典RNA力場的準確性，主要包括：
(a) AMBER99力場的一個改進是對RNA主鏈扭轉角的改進；
(b)?基于量子力學/分子力學(QM/MM)計算，通過重新參數化AMBER-parmbsc0力場的α/γ扭轉項，提高了RNA和DNA雙螺旋的MD模擬精度；
(c)?在AMBERχ力場序列中重新參數化RNA糖苷的χ扭轉角，糾正了高抗梯狀RNA結構的形成；
(d)?在AMBER之外，CHARMM社區開發了一套新的RNA參數來提高MD模型的可靠性；
(e) CHARMM的一個進展是，在經典Drude振子模型的基礎上發展了第一個可極化的核酸力場。
(2)?催化RNA的構象動力學
盡管MD目前存在局限性，但其可以提供詳細了解RNA分子的功能動力學。實際上，MD已經表征了幾種核酶的作用機制，這些核酶是RNA系統，可以在RNA/DNA主干上以順式(即自裂解)或反式(即非自裂解)催化磷酸水解。此外，許多計算研究也已經闡明了這些小的反應性RNA的催化機制，包括HDV、hairpin和glmS核酶等。較大的II族內含子自剪接核酶，在核酶催化中堿基的稀有質子化態中發揮了功能作用。這些核酶是抗真菌藥物的重要靶點。而對II族子結構動力學的深入了解，有助于提高研究人員對這些核酶作用機制的理解，促進了針對這些RNA系統的新藥的合理設計。
(3)?對實驗和模擬的集成獲得了生物物理可靠性
對于那些需要詳盡的組態采樣(即長模擬時間)的限制，MD通?？梢耘c實驗數據協同集成，例如：
(a)?自20世紀90年代以來，MD模擬已經與核磁共振實驗相結合，以表征HIV-TAR元素的結構動力學；
(b)?除NMR外，研究人員還利用小角度和廣角X射線散射(分別為SAXS和WAXS)并結合MD模擬，獲得了溶液中的RNA結構數據。
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RNA-小分子相互作用的鑒定
(1) RNA的分子對接工具
最近3D RNA結構的解決方案，促使人們大力開發和應用分子對接技術，以加快基于RNA靶向結構的藥物發現。例如，內部坐標力學(ICM, Molsoft)是一種分子建模/對接平臺，已成功用于識別RNA結合物。為了克服分子對接中潛在的缺點，最近開發了幾種RNA特異性對接/評分方法，主要包括：AutoDock、MORDOR、rDock以及RLDOCK等。
(2) RNA特異性的獨立評分功能
除了RNA特異性的分子對接平臺之外，還有許多獨立的評分功能來提高一系列配體姿態的排序，主要包括：KScore、DrugScoreRNA、LigandRNA、SPA-LN112、ITScore-NL、RNAPoser以及AnnapuRNA等。
(3)?RNA配體結合動力學與能量學的表征
MD可以成為探索配體結合和解結合的功能動力學和能量學以及進行動態對接的實用方法。MD也可解釋RNA和配體在結合過程中的靈活性，克服靜態對接協議的固有限制。相關的應用主要包括：
(a) MD已經成功地描述了嘌呤感應核糖體開關的配體識別和結合過程；
(b)?利用MD模擬研究了PreQ1核糖體開關的作用機理；
(c)?用交換偏置MD描述了SHAPE試劑和RNA分子之間的相互作用，揭示了RNA的構象動力學和糖的褶皺是如何增加有利于SHAPE反應的2-OH基團的可及性的關鍵；
(d)?自由能擾動(FEP)也可以評估特定突變對RNA配體結合自由能的影響，例如，鳥嘌呤核糖體開關；
(e) 監督MD (suMD)可以在短時間窗口內高效地復制RNA-配體結合模式，但它不能被盲目地用于預測藥物結合的物理途徑。
靶向RNA調控的計算機驅動基于結構的藥物發現
Kang及其合作者證明了RNA靶向藥物發現的實驗和計算的協同作用，他們確定了miR-21的特定小分子抑制劑，可作為一種新的上皮抗癌藥物。
RNA選擇性抑制研究中，Baranger和合作者戰略性地靶向了RNA分子中的保守結構基序?？紤]到RNA和配體的靈活性，研究者利用短(5ns)平衡分子動力學(MD)模擬，選擇了6個與目標形成穩定配合物的配體。這些MD模擬強調了氫鍵和電荷靜電相互作用在穩定配體結合方面的重要性。
Al-Hashimi小組最近展示了MD在模擬、預測和開發RNA靈活性方面的效率。此外，Al-Hashimi小組還使用了HIV-1 TAR RNA廣泛的MD模擬，從一個擴大的實驗數據集(包括四組RDC)中生成另一個TAR結構集合。他們對10萬個類藥物小分子進行了高通量篩選(HTS)，以識別TAR結合劑和非結合劑。
最后，基于結構的虛擬篩選，還指導了一種SARS-冠狀病毒(SARS-CoV)復制小分子抑制劑的發現。
總之，這些研究表明，獨立的計算工具和混合實驗計算方法，可以用來識別和合理設計靶向調控RNA的新的小分子配體。
圖表匯總
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結論總結
本篇文章中，研究者闡述了靶向RNA在藥物發現中最近的進展，重點是與RNA小分子相關的結構和計算模擬。此外，研究者還討論了目前面臨的主要挑戰。調控RNA參與了從癌癥到微生物感染等多種人類病理的發展，因此是治療干預的一個有希望的目標，從而促使了對實驗生化和生物物理特性的研究，證明了調節RNA是小分子的可用藥靶點。一系列的前沿進展，激發了開發以RNA為靶點的常規藥物的研究，制藥公司正尋求開發以RNA為靶點的小分子療法，其中一些已經進入臨床開發的最后階段。