肽核酸（PNA，Peptide Nucleic Acid）是一種人工合成的類似于DNA或RNA的聚合物。PNA可以說是誕生在丹麥的化合物，它最初由 Peter E. Nielsen（哥本哈根大學(xué)）、Michael Egholm（哥本哈根大學(xué)）、Rolf H. Berg（Risø 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，丹麥科技大學(xué)）和 Ole Buchardt（哥本哈根大學(xué)）于 1991 年發(fā)明。

1

PNA的化學(xué)結(jié)構(gòu)

       DNA 和 RNA 的分子骨架是由交替的核糖（脫氧核糖）和磷酸通過磷酸二酯鍵連接在一起的。與核酸不同，PNA的主鏈?zhǔn)怯芍貜?fù) N-(2-氨基乙基)-甘氨酸單元（圖1）通過肽鍵（酰胺鍵）搭建而成的（圖2 藍(lán)色部分）。相同的是，它們都包含有側(cè)鏈的核堿基（nucleobase）。在PNA分子中，各種嘌呤和嘧啶堿基（圖2紅色部分）通過乙酰結(jié)構(gòu)（圖2綠色部分）與主鏈上甘氨酸部分的N融合。

       可以說PNA結(jié)合了兩個(gè)截然不同的大分子特征：肽和核酸。從整體來(lái)看，PNA像是包含堿基側(cè)鏈的聚N-(2-氨基乙基)-甘氨酸多肽。

圖1. N-(2-氨基乙基)-甘氨酸化學(xué)結(jié)構(gòu)

       如果堿基序列互補(bǔ)，則PNA可以與 DNA 鏈之間產(chǎn)生結(jié)合作用。PNA 側(cè)鏈的堿基可以與雙鏈RNA或DNA雙螺旋主溝的堿基之間形成氫鍵，從而與雙鏈 RNA 或 DNA 的外部結(jié)合。這種所謂的 Hoogsteen 配對(duì)產(chǎn)生了三重螺旋。由于 PNA 的主鏈不包含帶負(fù)電的磷酸二酯基團(tuán)，因此由于缺乏靜電排斥，因此PNA與DNA 鏈之間的結(jié)合比 DNA與DNA 鏈之間的結(jié)合更強(qiáng)。PNA甚至還可以破壞DNA雙鏈之間的結(jié)合，從而插入DNA雙鏈中間。但缺少電荷的事實(shí)也使PNA相當(dāng)疏水，這使得它很難以溶液形式輸送到體細(xì)胞。

圖2. PNA與DNA (單鏈) 化學(xué)結(jié)構(gòu)。

       PNA的化學(xué)修飾

       PNA的特性使得這類化合物成為反義藥物的理想選擇，因?yàn)镻NA可以通過結(jié)合 mRNA 來(lái)抑制蛋白質(zhì)的產(chǎn)生。從理論上講，PNA 可以比當(dāng)今開發(fā)的大多數(shù)反義藥物（通常是 DNA 或 RNA 片段）結(jié)合得更牢固。

圖3. γ-PNA化學(xué)結(jié)構(gòu)

       第一代 PNA 不溶于水，因此這些分子很容易在溶液中聚集，并與細(xì)胞中的其他生物聚合物產(chǎn)生非特異性結(jié)合，從而導(dǎo)致毒性。這一問題通過γ-PNA的分子設(shè)計(jì)得到了解決。通過將羥甲基引入PNA主鏈上N-(2-氨基乙基)-甘氨酸單元上的Cγ（圖3）。修飾后的 γ-PNA與DNA 和 RNA 更有效地結(jié)合。與未修飾的 PNA相比，γ-PNA 與DNA的結(jié)合更加穩(wěn)定。除此之外，PNA不會(huì)像合成 DNA 或 RNA 那樣被核酸酶和蛋白酶降解，這種特性賦予它們更好的穩(wěn)定性。除了羥甲基之外，研究人員還在在肽骨架上添加二甘醇側(cè)鏈，以此增加 PNA 的結(jié)合強(qiáng)度并增加改性PNA的溶解度。這些化學(xué)修飾PNA可以解決PNA候選藥物遞送至靶細(xì)胞的問題。

2

PNA的應(yīng)用

       PNA的應(yīng)用包括改變基因表達(dá)，可以作為抑制劑和啟動(dòng)子、反基因和反義治療劑、抗癌劑、抗病毒劑、抗菌劑和抗寄生蟲劑、生物傳感器的分子工具和探針、DNA 序列檢測(cè)和納米技術(shù)。

       基因組編輯

       2022 年 10 月，Neubase將其 PNA 業(yè)務(wù)的重點(diǎn)轉(zhuǎn)向基因編輯上。Neubase 與一家全球醫(yī)療保健公司合作，計(jì)劃創(chuàng)建 PNA，旨在編輯三種未公開疾病的基因突變。異常的核酸結(jié)構(gòu)是內(nèi)源性修復(fù)的關(guān)鍵，可能發(fā)生在序列特定的條件下。PNA能夠?qū)崿F(xiàn)非酶促基因編輯。該方法利用了 Nielson 于 1991 年發(fā)現(xiàn)的 PNA 侵入和撬開雙鏈 DNA 分子的能力。通過在基因組內(nèi)形成高親和力的異源雙鏈或三鏈體結(jié)構(gòu)，PNA 已被用于糾正多種人類疾病相關(guān)突變，且脫靶效應(yīng)較低。分子設(shè)計(jì)、化學(xué)修飾和遞送方面的進(jìn)步使 PNA 的系統(tǒng)性體內(nèi)應(yīng)用成為可能，從而在臨床前小鼠模型中實(shí)現(xiàn)基因編輯。在 β-地中海貧血模型中，經(jīng)過治療的動(dòng)物表現(xiàn)出臨床相關(guān)的蛋白質(zhì)恢復(fù)和疾病表型改善，表明 PNA 具有治療性應(yīng)用治療單基因疾病的潛力。

       核酸傳感

       特定核酸序列的檢測(cè)在生物醫(yī)學(xué)研究和診斷中至關(guān)重要。PNA 獨(dú)特的雜交特性和代謝穩(wěn)定性使其非常適合在復(fù)雜的生物環(huán)境甚至整個(gè)細(xì)胞中進(jìn)行傳感。 活細(xì)胞成像的主要策略之一是使用熒光探針，并在雙鏈體復(fù)合物形成時(shí)增加熒光。這一技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于檢測(cè) KRAS 致癌突變 (SNP)。熒光PNA 探針的用途也已擴(kuò)展到三鏈體的檢測(cè)。

       超分子藥物

       在過去十年中，許多研究使用 PNA―配體偶聯(lián)物，將其自組裝為更大的結(jié)構(gòu)。已發(fā)現(xiàn) PNA―配體偶聯(lián)物的組裝體在體內(nèi)具有活性功能。 例如靶向 αvβ3 整合素（一種在許多癌癥中過度表達(dá)的三聚體受體）的 PNA―配體偶聯(lián)物在寡聚化時(shí)顯示出 100 倍的增強(qiáng)結(jié)合，導(dǎo)致小鼠模型中的腫瘤集落減少 50%。PNA 標(biāo)記的大分子已被用于編程抗體片段 (Fab)，以快速探索雙特異性抗體。

       反義治療劑

       PNA 的代謝穩(wěn)定性和強(qiáng)結(jié)合親和力使其成為反基因治療的可利用工具。PNA 是空間阻滯劑，通過與起始位點(diǎn)結(jié)合來(lái)抑制靶 mRNA 的剪接或翻譯。在 C 末端用四個(gè)賴氨酸修飾的 PNA分子，被證實(shí)可有效糾正轉(zhuǎn)基因小鼠的異常剪接，顯示出其作為治療劑的潛力。 在另一項(xiàng)研究中，GPNA（α-胍基修飾PNAs） 成功地用于抑制小鼠模型中 EGFR 的表達(dá)，EGFR 是非小細(xì)胞肺癌的重要驅(qū)動(dòng)因素。

       PNA治療劑

       PNA 的主要候選藥物使用直接的反義方法。韓國(guó)制藥公司 OliPass在這方面具有領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，其最 先進(jìn)的候選藥物止痛藥 OLP-1002 正在進(jìn)行臨床試驗(yàn)。Olipass 的 PNA 用含有陽(yáng)離子脂質(zhì)基團(tuán)的堿基進(jìn)行修飾，可提高穩(wěn)定性并易于進(jìn)入細(xì)胞。這使得它們?cè)诘椭?10 ng/kg 的劑量下在動(dòng)物模型中具有活性，比現(xiàn)有的反義寡核苷酸低許多數(shù)量級(jí)。 PNA 可以進(jìn)入細(xì)胞核，并與前體 mRNA 相互作用。前體 mRNA 是在剪接酶切除不需要的部分之前，通過轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的第一個(gè) mRNA 版本。通過與這些前體mRNA 分子結(jié)合，PNA 從根本上防止剪接酶清理 RNA 代碼，導(dǎo)致 mRNA 無(wú)法正確翻譯，從而阻止蛋白質(zhì)生產(chǎn)。

       第二家利用 PNA 技術(shù)的公司是總部位于匹茲堡的 Neubase Therapeutics。該公司目前擁有針對(duì)三種疾病的 PNA 候選藥物。他們最 先進(jìn)的候選藥物 NT-0200 針對(duì) 1 型強(qiáng)直性肌營(yíng)養(yǎng)不良癥，這是一種由錯(cuò)誤的 RNA 引起的進(jìn)行性肌肉疾病，它會(huì)捕獲關(guān)鍵的剪接蛋白并導(dǎo)致細(xì)胞翻譯錯(cuò)誤。根據(jù) Neubase 的小鼠研究，NT-0200 可恢復(fù)廣泛組織的下游蛋白質(zhì)生產(chǎn)。該公司還有一種 PNA 候選藥物，它在轉(zhuǎn)錄成 mRNA 后靶向亨廷頓基因的重復(fù)三核苷酸序列。

3

總結(jié)

       幾種 PNA 藥物正在進(jìn)行臨床試驗(yàn)，其他藥物正在開發(fā)中。開發(fā)可行的 PNA 療法的道路一直很艱難。學(xué)術(shù)界和初創(chuàng)企業(yè)的科學(xué)家們對(duì) PNA 骨架的化學(xué)調(diào)整，使分子更容易潛入細(xì)胞并更牢固地鎖定 RNA 以沉默基因。在開發(fā)這些療法的同時(shí)，化學(xué)家現(xiàn)在能夠利用 PNA 嵌入DNA 螺旋的能力，使其成為基因編輯的理想工具，并成為突破性 CRISPR-Cas9 系統(tǒng)的潛在替代品。盡管 CRISPR 有十年的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，但現(xiàn)在有幾種使用 PNA 的基因編輯方法正在研究開發(fā)之中。雖然PNA的技術(shù)目前可以說尚未修成正果，但距離它們正式登上醫(yī)藥舞臺(tái)的時(shí)間應(yīng)該不會(huì)太遠(yuǎn)了。

       參考資料：

       [1] Nielsen, P. E. et al. Sequence-selective recognition of DNA by strand displacement with a thymine-substituted polyamide. Science. 1991, 254, 1497–500.

       [2] Anstaett, P. et al. Peptide nucleic acid - an opportunity for bio-nanotechnology. CHIMIA. 2014, 68, 264–268.

       [3] Economos, N. G. et al. Peptide Nucleic Acids and Gene Editing: Perspectives on Structure and Repair. Molecules. 2020, 25, 735.

       [4] Vilaivan, T. Fluorogenic PNA probes. Beilstein J Org Chem. 2018, 14, 253-281.

       [5] Englund, E. A. et al. Programmable multivalent display of receptor ligands using peptide nucleic acid nanoscaffolds. Nat Commun. 2012, 3.

       [6] Kazane, S. A. et al. Self-assembled antibody multimers through peptide nucleic acid conjugation. J Am Chem Soc. 2013, 135, 340-346.

       [7] Jarver, P. et al. A chemical view of oligonucleotides for exon skipping and related drug applications. Nucleic Acid Ther. 2014, 24, 37-47.

       [8] Sazani, P. Systemically delivered antisense oligomers upregulate gene expression in mouse tissues. Nat Biotechnol. 2002, 20, 1228-1233.

       [9] Thomas, S. M. et al. Antitumor effects of EGFR antisense guanidine-based peptide nucleic acids in cancer models. ACS Chem Biol. 2013, 8, 345-352.

       [10] Priyan, V. OliPass begins dosing in Phase IIa trial of painkiller for osteoarthritis. Clinical Trials Arena. 21, 02, 2022.

       [11] The neubase pipeline. https://www.neubasetherapeutics.com/pipeline/. Retrieved on 30th Mar. 2023.

       [General] Brazil, R. Peptide Nucleic Acids Promise New Therapeutics and Gene Editing Tools. ACS Cent. Sci. 2023, 9, 3–6.