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尋求反義分子

合理的設(shè)計(jì)和特異性使反義分子抓住了人們的想象力。不過(guò)，它們比zui初預(yù)測(cè)的難生產(chǎn)得多，至今尚無(wú)任何證據(jù)表明它們具有去除單一基因的功能，而且，還存在許多未預(yù)測(cè)的非反義效應(yīng)。本文旨在綜述反義策略中產(chǎn)生或破壞特異性的一些因素，討論通過(guò)不同的標(biāo)準(zhǔn)判斷治療的復(fù)雜性及研究制劑的必要性。

　　反義分子是指與細(xì)胞內(nèi)DNA或RNA序列相互補(bǔ)形成雜交體而阻斷或減弱其轉(zhuǎn)錄和翻譯過(guò)程的DNA或RNA片段。目前研究zui多的反義分子主要有反義寡核苷酸（oligo deoxy nucleotides,ODNs）和核酶?？茖W(xué)家們?cè)噲D應(yīng)用這些分子抑制目標(biāo)基因從而了解它們的功能，藥物開(kāi)發(fā)人員則試圖找到以核苷酸為基礎(chǔ)的治療手段。但是，當(dāng)核酸藥物通過(guò)目前尚未了解到的機(jī)制，作用于其它分子，而不是它的靶部位這一“非反義”效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)以后，反義領(lǐng)域被掉轉(zhuǎn)了方向。非反義效應(yīng)并非*有害，實(shí)際上，它們所提供的附加療效對(duì)藥物工業(yè)來(lái)說(shuō)是大有益處的。不過(guò)，它們的不可預(yù)測(cè)性使得對(duì)核酸試劑的研究變得復(fù)雜起來(lái)。

　　一、設(shè)計(jì)合理的反義藥物的障礙

　　有兩個(gè)問(wèn)題困擾著反義藥物的發(fā)展，一個(gè)是核酸藥物通過(guò)尚未了解的機(jī)制，作用于其它分子，而不是它的靶部位的“非反義”效應(yīng)；另一個(gè)是靶RNA的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其與細(xì)胞蛋白質(zhì)的相互作用而形成的物理障礙。

　　非反義效應(yīng)使藥物工業(yè)進(jìn)退兩難，其不可預(yù)測(cè)性使得對(duì)核酸藥物的研究變得復(fù)雜起來(lái)。非反義效應(yīng)并非*有害，實(shí)際上它們的附加療效對(duì)藥物工業(yè)來(lái)說(shuō)是大有益處的，某些非反義ODN已被用來(lái)作為佐劑提高免疫治療及疫苗的效能。非反義效應(yīng)的復(fù)合作用機(jī)制有可能生產(chǎn)出集許多復(fù)合療法為一身的單一藥物。對(duì)藥物來(lái)說(shuō)，非反義效應(yīng)也有不利的一面，它給基因?qū)ひ捳邘?lái)很大的困難。在對(duì)其作用機(jī)制一無(wú)所知的情況下，把對(duì)藥物有益的非反義效應(yīng)作為研究制劑來(lái)考慮時(shí)往往成為不利因素，將其用于分子生物學(xué)的研究將會(huì)是災(zāi)難性的。由于對(duì)其作用機(jī)制缺乏了解，使反義藥物沒(méi)計(jì)起來(lái)非常困難，也很難形成商業(yè)化，而且它們還可能成為毒性的來(lái)源。

　　靶RNA的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其與細(xì)胞蛋白質(zhì)的相互作用使許多可能的結(jié)合部位不能與反義分子結(jié)合。當(dāng)核酸藥物通過(guò)Watson-Crick配對(duì)，與靶RNA的暴露區(qū)域互補(bǔ)且局限于此區(qū)域時(shí)，真正的反義效應(yīng)才能得到增強(qiáng)，而不需要的反義效應(yīng)才能降低，然而這種優(yōu)化是很耗時(shí)的。目前有效的核酸藥物必須在大批候選庫(kù)中，通過(guò)流水線式的篩選才能得到。

　　二、對(duì)臨床是否有益是檢驗(yàn)核酸藥物的標(biāo)準(zhǔn)

　　沒(méi)有哪一種藥物具有*的選擇性，通常具有生物活性的化合物有許多種效應(yīng)，需要用劑量—效應(yīng)曲線來(lái)對(duì)化合物進(jìn)行初步的藥理鑒定。象對(duì)所有其它藥物進(jìn)行研究時(shí)所做的那們，只有了解其臨床用途，以及獲得了它的劑量—效應(yīng)曲線的定量信息和治療參數(shù)以后，才能判斷反義藥物的價(jià)值。

　　核酸藥物的治療作用需要經(jīng)過(guò)慎重的調(diào)節(jié)，與傳統(tǒng)藥物典型的2~3個(gè)幅度范圍的劑量—效應(yīng)曲線相比，反義藥物的曲線只局限在很窄的濃度范圍內(nèi)。無(wú)論在體外或在體內(nèi)，1/10的量就可將產(chǎn)生非反義效應(yīng)的濃度與產(chǎn)生*反義效應(yīng)的濃度分開(kāi)。極陡的劑量—效應(yīng)曲線通常表明一個(gè)藥物有多種的協(xié)同作用機(jī)制。這些治療窗口很窄的藥物可能非常有效而且極有價(jià)值，但在應(yīng)用的安全性方面也較難處理。因?yàn)榉戳x與非反義效應(yīng)的比率在限定的濃度范圍以外迅速下降，要獲得一致的治療結(jié)果是很有挑戰(zhàn)性的。

　　三、反義藥物實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

　　反義藥物*的誘惑力和媒介宣傳總使得反義試劑涉及到的問(wèn)題變得微乎其微。當(dāng)一個(gè)反義分子引起生物學(xué)效應(yīng)時(shí)，很難確定這一改變是因?yàn)樵撝苿┨禺惖刈饔糜诎蠷NA，這是由于一些非反義效應(yīng)（包括其它的楄苷酸和蛋白質(zhì)）在起作用。為區(qū)分反義和非反義效應(yīng)通常采用的策略是應(yīng)用一個(gè)與反義寡核苷酸順序相比已改變了的寡核苷酸，不幸的是，不是所有的非反義效應(yīng)都能檢測(cè)到。有些例子中采用的標(biāo)準(zhǔn)非常松，已發(fā)表的反義文章的性的評(píng)估只有50%~5%。這些調(diào)查結(jié)果強(qiáng)調(diào)制定更嚴(yán)格的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)的必要性，而且應(yīng)用純的寡核苷酸制劑的必要性也得到強(qiáng)調(diào)。選擇性地發(fā)表一些理想（陽(yáng)性）的結(jié)果逐漸受到了壓力。這表明我們?cè)谶M(jìn)行反義研究時(shí)應(yīng)保持高度的警惕性，必須同時(shí)檢測(cè)較多的對(duì)照ODN，對(duì)每一個(gè)“反義”分子都需要經(jīng)過(guò)不厭其煩的驗(yàn)證。

　　四、反義技術(shù)與單一基因性之間的距離

　　針對(duì)單一基因的能力對(duì)藥物來(lái)說(shuō)是困難的。在研究領(lǐng)域中，特異性對(duì)一個(gè)有效的實(shí)驗(yàn)制劑來(lái)說(shuō)雖不是zui根本的，但確是一個(gè)關(guān)鍵的特性。隨著選擇性的剔除基因的手段逐漸得到改善并越來(lái)越容易操作的時(shí)候，從時(shí)間、經(jīng)費(fèi)及選擇性等方面比較以后來(lái)考慮反義技術(shù)就顯得非常重要了。

　　不幸的是，對(duì)反義誘導(dǎo)的副作用的量化性數(shù)據(jù)所知有限，大部分信息來(lái)源于反義復(fù)合物的影響僅涉及少數(shù)分子的測(cè)量，如目標(biāo)靶RNA，持家基因和一些對(duì)照RNA。當(dāng)一個(gè)反義分子符合以下這兩種標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，才能認(rèn)為是特異的：①細(xì)胞的生存力沒(méi)有大幅度的下降；②靶RNA與它所對(duì)應(yīng)的蛋白水平與對(duì)照RNA相比下降得多。不過(guò)這種類型的實(shí)驗(yàn)在提供有關(guān)RNA和蛋白質(zhì)的總體水平改變時(shí)顯得很局限，它甚至不能給信號(hào)與全部的噪聲比提供一個(gè)粗略的估計(jì)。這種方法的另一個(gè)缺點(diǎn)是不能提供有關(guān)反義分子與其蛋白質(zhì)相互作用的直接信息，即使這種相互作用是反義分子產(chǎn)生效應(yīng)的主要?jiǎng)恿Α?/p>

　　到目前為止，反義分子能否選擇性擊中單一基因還不能被證實(shí)。隨著已測(cè)序的基因的增加，鑒定RNA是否有與反義分子互補(bǔ)的區(qū)域，以及評(píng)估反義療法對(duì)其它無(wú)關(guān)分子的作用都是可行的。此外，還可以通過(guò)篩查mRNA庫(kù)、cDNA差異展示技術(shù)或定量檢測(cè)基因表達(dá)圖譜的基因芯片雜交的方法來(lái)分析反義治療帶來(lái)的變化。如果這些方法可以檢測(cè)出未預(yù)料到的變化，可以應(yīng)用另一些技術(shù)將缺乏特異性的結(jié)果與反義反應(yīng)的下游結(jié)果區(qū)分開(kāi)。有關(guān)意外擊中的數(shù)目以及其它基因表達(dá)的改變的相互作用本質(zhì)的信息可以指導(dǎo)將來(lái)的藥物開(kāi)發(fā)。這種特異性，無(wú)論它到底是什么，一定會(huì)隨著現(xiàn)行的策略的優(yōu)化以及產(chǎn)生更少副作用衍生物的核酸化學(xué)的發(fā)展而大大提高。

　　五、特異性的理論局限性

　　雖然ODNs和核酶確定能擊中它們的靶部位，但到目前為止，尚無(wú)任何證據(jù)表明，反義藥物具有僅僅剔除一個(gè)基因的能力。理論給反義特異性提供了有用的數(shù)據(jù)。單倍體人類基因組有3×109個(gè)堿基。在這樣大的隨機(jī)順序中，17或大于17個(gè)核苷酸的任意順序僅出現(xiàn)一次的概率很高。為了剔除某一基因，必須將17個(gè)堿基正確匹配者從只有一個(gè)堿基錯(cuò)配者中區(qū)別出來(lái)。

　　要想知道ODN的分辨力，就必須知道它們的作用機(jī)制，這種機(jī)制可能隨細(xì)胞類型的不同而不同，也可能依賴于靶RNA或ODN的特性。不過(guò)，在許多體系中，靶RNA都能因RNase h的作用而被消耗。RNase h的活性切割DNA-RNA雜交體中的RNA成分，它們并不需要長(zhǎng)的雜交區(qū)作為底物，實(shí)際上，在體外RNase h切割的對(duì)象可以只有4個(gè)堿基對(duì)。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的ODN來(lái)說(shuō)，10個(gè)堿基對(duì)對(duì)人類也就足夠了；在經(jīng)化學(xué)修飾過(guò)的核苷酸中，少至7個(gè)堿基對(duì)就可被切割。對(duì)每一個(gè)10堿基核苷酸順序來(lái)講，在人類基因組中平均有3000個(gè)拷貝，因此，任何特異的10堿基出現(xiàn)在許多個(gè)RNA中的可能性是極大的。當(dāng)一個(gè)互補(bǔ)于這樣的一個(gè)10堿基的ODN被導(dǎo)入細(xì)胞時(shí)，所有含有這些10堿基的RNA都有被RNase h切割的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)然，并不是所有的3000個(gè)拷貝都會(huì)被切割，這是因?yàn)樵S多拷貝可能并不出現(xiàn)于轉(zhuǎn)錄物中，而出現(xiàn)在轉(zhuǎn)錄物中的也會(huì)有許多是RNase h無(wú)法接近的。但是，即使是3000個(gè)拷貝中的1%被擊中的話，也會(huì)直接影響到30個(gè)基因。而且，有兩個(gè)原因使得“風(fēng)險(xiǎn)”基因的數(shù)目數(shù)超過(guò)3000個(gè)；①典型的ODN平均含有20個(gè)或更多的堿基，每20個(gè)堿基含有11個(gè)10堿基，而每一個(gè)10堿基平均會(huì)出現(xiàn)3000次；②RNase h可能不需要10個(gè)連續(xù)的堿基對(duì)就能完成切割。因?yàn)镽Nase h只需要很小的雜交區(qū)，所以不能通過(guò)增加ODN長(zhǎng)度來(lái)增加其特異性。實(shí)際上，由于會(huì)使錯(cuò)配順序更穩(wěn)定的結(jié)合，大于zui小值的長(zhǎng)度可能會(huì)有反作用。

　　在對(duì)非洲爪蟾卵母細(xì)胞的研究基礎(chǔ)上，人們發(fā)現(xiàn)只想讓目的靶RNA被切割，而不同時(shí)發(fā)生至少是部分非靶RNA被切割的情況恐怕是不可能的。目的與非目的靶RNA被擊中的比率依賴于一些復(fù)雜的因素，這些因素決定了反義分子與靶目標(biāo)是否并存以及RNA內(nèi)的互補(bǔ)部位是否被掩蓋或是被分子鍵作用而使它們不可接近。將來(lái)，即使是反義化學(xué)的發(fā)展降低了ODN與蛋白質(zhì)的結(jié)合，由RNase h導(dǎo)致的對(duì)特異性的限制還將存在，在評(píng)價(jià)反義策略時(shí)必須牢記這一點(diǎn)。

　　核酶對(duì)靶部位識(shí)別也是由Watson-Crick法則決定的，因此，與ODN一樣，它也有類似的特異性方面的局限性。核酶通過(guò)識(shí)別不同長(zhǎng)度的順序與靶RNA結(jié)合。一個(gè)與靶RNA能形成較多數(shù)目堿基互補(bǔ)的核酶，并不比那些識(shí)別相對(duì)較短順序的核酶具有更強(qiáng)的對(duì)目的靶RNA的分辨力。實(shí)際上，延長(zhǎng)識(shí)別順長(zhǎng)度反而會(huì)降低核酶的分辨力。目前正在研究是否存在這樣一種順序，既短到能分辨與靶RNA相差一個(gè)堿基的RNA而使其不被切開(kāi)，又長(zhǎng)到允許一個(gè)單一的RNA可以被選擇性的破壞。核酶能擊中單一基因這一情況并不讓人感到驚訝。大部分核酶都是槌頭或發(fā)夾狀分子，自然狀態(tài)下，可以共價(jià)地結(jié)合在其切割部位上，自身切割病原體亞病毒（類病毒）的前體分子。為了充分起作用，核酶從同樣小的RNA分子的有限數(shù)目的堿基中選擇其切割部位。因此，人工合成的核酶比自然形成的核酶有更高的特異性。當(dāng)然，象其它RNA一樣，核酶有與細(xì)胞蛋白結(jié)合的可能性，因此，會(huì)產(chǎn)生顯著的非反義生物學(xué)效應(yīng)。

　　當(dāng)考慮反義特異性的理論局限性時(shí)，需牢記基因組并不是一個(gè)“隨機(jī)的順序”。一個(gè)RNA中含有的“好”的反義靶順序在另一些RNA中出現(xiàn)的機(jī)率會(huì)比預(yù)測(cè)的更高或更低。應(yīng)用生物順序的趨勢(shì)可能會(huì)限制這種只依靠Watson-Crick互補(bǔ)法則的策略的特異性，隨著對(duì)人類基因順序完整數(shù)據(jù)的獲得，這種傾向性會(huì)得到更細(xì)致的分析。

　　六、反義介導(dǎo)的基因剔除原則

　　在細(xì)胞內(nèi)，不能通過(guò)體外經(jīng)常采用的諸如提高溫度，或改變離子強(qiáng)度以降低核苷酸雜交背景的策略來(lái)提高特異性。因此，需要一些其它的策略來(lái)提高細(xì)胞內(nèi)的特異性。有一種方法被用來(lái)設(shè)計(jì)多重反義復(fù)合物，復(fù)合物中的每一亞單位都直接作用于同一個(gè)靶RNA的不同部位，通過(guò)分子三角關(guān)系將其消滅。除此之外，還有一些工作解決了RNA分子中所有部位不同等暴露這一問(wèn)題。如果與反義ODN互補(bǔ)的10堿基出現(xiàn)在靶RNA的可接近區(qū)，又在無(wú)關(guān)RNA的被保護(hù)區(qū)，靶RNA就會(huì)被優(yōu)先消耗掉。而鑒別互補(bǔ)于靶RNA脆性部位的反義分子是很難做到的，因?yàn)镽NA是一種內(nèi)部結(jié)構(gòu)錯(cuò)綜復(fù)雜的分子。

　　zui近的研究強(qiáng)調(diào)了RNA內(nèi)結(jié)構(gòu)限制其與ODN結(jié)合的程度。人們發(fā)現(xiàn)能與mRNA穩(wěn)定結(jié)合的ODN極少，這些結(jié)果指出這種結(jié)合可能只發(fā)生在RNA可被接近的區(qū)域，靶RNA結(jié)構(gòu)是決定反義分子特異性的主要因素。象ODN一樣，核酶的靶部位的可接近的區(qū)域，靶RNA結(jié)構(gòu)是決定反義分子特異性的主要因素。象ODN一樣，核酶的靶部位的可接近性也有變化。細(xì)胞蛋白及核糖核酸蛋白復(fù)合物，如核糖體，會(huì)防礙核酶介導(dǎo)的切割作用，那種認(rèn)為“核酶擴(kuò)散，結(jié)合隨后切割非結(jié)構(gòu)RNA這種容易的過(guò)程似乎是過(guò)于簡(jiǎn)單了”。因?yàn)轭A(yù)測(cè)在體內(nèi)RNA分子的哪一部分能被接近是很困難的，必須篩查大批候選者才能找出能在細(xì)胞內(nèi)起作用的反義分子。

　　七、設(shè)計(jì)反分子的策略

　　在任何時(shí)刻，RNA固有的結(jié)構(gòu)以及它們與蛋白質(zhì)的結(jié)合都限制了RNA分子中可接近部位的數(shù)目，因此為特異性提供了基礎(chǔ)。結(jié)合象一件稀有的例外事件，反義分子被排除在大多數(shù)互補(bǔ)部位之外。因?yàn)檫@種可接近性是無(wú)法預(yù)測(cè)的，合理的設(shè)計(jì)反義分子是不可能的。由于缺少設(shè)計(jì)法則，需要經(jīng)過(guò)更精細(xì)的耗時(shí)、耗資過(guò)程，從20~50個(gè)候選者中選出有效的反義分子。如果說(shuō)對(duì)50個(gè)分子的檢測(cè)能找出好的候選者，對(duì)上千個(gè)復(fù)合物的檢測(cè)會(huì)找出更好的。但如何設(shè)計(jì)它們呢？它們的順序僅僅依靠于能與靶RNA形成線性的Watson-Crick互補(bǔ)呢？還是象自然存在的反義TNA一樣包含切割部位？又該如何看待非規(guī)范的堿基配對(duì)作用和象莖-套這樣的結(jié)構(gòu)呢？

　　有關(guān)體外情況下ODN結(jié)合的可接近性與在體內(nèi)ODN介導(dǎo)的反義抑制的脆弱性之間的關(guān)系正在進(jìn)行探討，而且也將成為未來(lái)研究的一個(gè)領(lǐng)域。還不清楚體外篩查技術(shù)是否同樣能鑒別出在體內(nèi)起作用的ODN。有許多可能的順序需要選擇，看起來(lái)體外研究并不總能預(yù)測(cè)在體內(nèi)時(shí)的有效性，還需要開(kāi)發(fā)能應(yīng)用于細(xì)胞內(nèi)的更新的篩查技術(shù)。

　　八、結(jié)論

　　隨著許多非反義效應(yīng)的作用機(jī)制的發(fā)現(xiàn)，以及與目標(biāo)靶RNA的大部分Watson-Crick結(jié)合部位不可接近這一特點(diǎn)，使zui初產(chǎn)生的關(guān)于ODN和核酶非常容易設(shè)計(jì)以及它們可以選擇性地作用于靶部位這類觀點(diǎn)受到了動(dòng)搖。篩查大批的候選反義分子及核酶，以及對(duì)體內(nèi)效應(yīng)的精心觀察既費(fèi)時(shí)又費(fèi)錢(qián)，這增加了用它們作為遺傳探針的困難。雖然關(guān)于它們的特異性尚存疑問(wèn)，還具有越來(lái)越多的證據(jù)表明反義分子作為一種藥物工具是有用的。而且，某些非反義效應(yīng)也是有治療價(jià)值的，值得進(jìn)一步探討。因?yàn)榉欠戳x效應(yīng)目前尚不能預(yù)測(cè)，合理的設(shè)計(jì)法則還不能應(yīng)用在非反義藥物的生產(chǎn)中，這種效應(yīng)還需要逐例的進(jìn)行探討。