この 「Know your oligo mod」 シリーズでは、オリゴヌクレオチド治療技術の大きな進歩である2'-O-methoxyethyl（2'-MOE）修飾について深く掘り下げていきます。
ヌクレオチドの糖部の2'位は化学修飾の格好の位置であり、アンチセンス技術やゲノム創薬において極めて重要な役割を果たしています。2'-MOE修飾は、リボースの2'-OHをO- methoxyethylメトキシエチル基で置換し、オリゴヌクレオチド治療薬、特にアンチセンスオリゴヌクレオチド（ASO）の特性を強化します。
2'-MOE修飾による薬効の増強
2'-MOE は、2'-O- methyl (2'-OMe) および 2'- Fluoro (2'-F) とともに、第 2 世代のアンチセンス修飾として知られています (図1)。承認されているオリゴ治療薬のほとんどは、これらの 2'位の修飾を構造に組み込んでおり、相補的な RNA ターゲットとのハイブリダイゼーション能力を損なうことなく、ヌクレアーゼに対する耐性を高めています。
図1: 第2世代 ASO の 2'位修飾の種類: （左より）2ʹ-MOE、2ʹ-OMe、および 2ʹ-F
2'-MOE 修飾は、親和性や特異性、安定性を高めるのに特に効果的です。そのため、転写後遺伝子サイレンシングに使用されるオリゴヌクレオチド、特に ASOによく組み込まれています。MOE 修飾オリゴヌクレオチドには、治療薬開発のための一般的なアプローチとなるいくつかの重要な特性があります。
- ヌクレアーゼ耐性：ヌクレアーゼ分解に対する耐性は、オリゴヌクレオチドを用いた治療の有効性に不可欠です。1995年のPierre Martinによる画期的な研究により、2ʹ-MOE修飾オリゴヌクレオチドは、（同位置の）未修飾およびOMe修飾オリゴヌクレオチドと比較して、優れた安定性を示すことが実証されました1。2ʹ-MOEは、未修飾RNAの求核性2ʹ-ヒドロキシル基を置換することによりヌクレアーゼ耐性を高め、生体内でのオリゴの安定性を向上させます1。
- 結合親和性：2'修飾は一般に、核酸二重鎖の熱力学的安定性を高めることにより、オリゴの結合親和性を高めます。これはリボースの3'-endo pucker conformation（RNA様コンフォメーション）のためであり、これはA-フォームRNA二重鎖が強く好まれます2。この強固なコンフォメーションは、ゴーシュ効果と広範な水和に起因します3。この効果は2‘-OMe修飾と同様ですが、2ʹ-F修飾よりは小さく、修飾ヌクレオチド1個あたり2.5℃のΔTm増加をもたらします3。
- 特異性の向上： 高い親和性とともに、アンチセンスオリゴヌクレオチドは、低い細胞毒性を確実にするために、標的mRNA配列と類似の非標的配列を区別する高い特異性を示さなければなりません。注目すべきは、MOE修飾オリゴヌクレオチドは、未修飾のデオキシオリゴヌクレオチドと比較して、ミスマッチやバルジ(bulge)の存在下では親和性を失うことが示され、その特異性の向上が実証されたことです3。
- 親油性の向上: 2′ 位修飾によりオリゴヌクレオチドの親油性が変化し、これは好ましい薬物動態特性に不可欠です。修飾の親油性は、タンパク質結合/吸収特性の向上と生体内溶解性の低下に関連しています。1 ただし、第 3 世代の治療用オリゴヌクレオチドには、コレステロールやパルミチン酸などの親油性コンジュゲートが含まれ、脂質膜の通過を容易にすることで細胞浸透と組織吸収が促進されることは注目に値します。あるいは、N アセチルガラクトサミン (GalNAc) リガンドは、肝細胞への浸透を高めるのに役立ちます。
医薬品開発における 2'-MOE
2'-MOE は、治療用 ASO で使用される最も一般的な 2' 位修飾です。これらの第 2 世代 ASO により、より高い効力、より長い組織半減期、および生体内での炎症誘発効果の低減が可能になりました3 。現在、2'-MOE は 7つの承認済み ASO 医薬品で使用されており (表1を参照)、臨床試験中の他の多くの医薬品でも使用されています4。
表1: 承認された治療用ASO5
立体障害性ASO
立体障害性ASOは、他の分子が標的RNAに結合するのを阻害します。また、スプライシング機構とプレmRNA間のタンパク質-RNA相互作用を阻害し、特定の転写産物のスプライシングを選択的に変化させるためにも用いられます。2ʹ-リボース修飾はRNase H活性と相容れないため、立体障害性ASOは標的RNAの分解を避けるために2ʹ位で完全に修飾されており、2ʹ-MOEが最も広く採用されている修飾です。例えば、Spinraza（nusinersen）は脊髄性筋萎縮症で承認された全PS/MOE修飾スプライススイッチングASOで、survival motor neuron 2（SMN2）の遺伝子スプライシングを調節します4。
Gapmer（ギャップマー）
Gapmerは、DNA-RNA二重鎖を形成し、標的mRNAを切断するRNase Hを誘発することによって遺伝子を沈黙させるアンチセンスオリゴヌクレオチドの別のクラスです。Gapmerは、標的RNAに相補的なPS-DNAヌクレオチドの中心配列（「DNAギャップ」）を持ち、DNAギャップをヌクレアーゼ分解から保護し、結合親和性を向上させるために、両側に修飾されたRNA残基が隣接しています。これらの好ましい特性により、Kynamro（mipomersen）、Tegsedi（inotersen）、Wainua（eplontersen）など、いくつかの2ʹ-MOE Gapmerが承認されています4。
siRNA
siRNAはArgonaute-2や他のタンパク質と結合してRNA誘導サイレンシング複合体（RISC）を形成することで機能しますが、特定の位置の2ʹ-リボース修飾はRISCのローディングとサイレンシング活性を阻害する可能性があります。しかしながら、MOE修飾が標的との結合親和性を高め、siRNAのヌクレアーゼ安定性を改善することを示した研究もあります。Songらは、切断部位に2′-MOEを加えることで、修飾鎖のRISCローディングが促進され、siRNAの特異性とサイレンシング活性の両方が向上することを見出しました7。
2ʹ-MOEは、修飾の選択がオリゴヌクレオチドの送達と機能性の成功にいかに重要であるかを例示しています。これはアンチセンス技術の駆動に役立ち、第二世代のASOが成功するまで長い間待たされていた寿命を延ばす治療薬が承認に至ることを可能にしました。
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参考文献
- Martin P (1995) ‘Ein neuer Zugang zu 2′-O-Alkylribonucleosiden und Eigenschaften deren Oligonucleotide’, Helvetica Chimica Acta 78, 486–504.
- Manoharan M (1999) "2′-Carbohydrate Modifications in Antisense Oligonucleotide Therapy: Importance of Conformation, Configuration and Conjugation." Biochimica Et Biophysica Acta (BBA) - Gene Structure and Expression 1489: 117-130. https://doi.org/10.1016/S0167-4781(99)00138-4
- Hill AC and Hall J (2023) "The MOE Modification of RNA: Origins and Widescale Impact on the Oligonucleotide Therapeutics Field." Helvetica Chimica Acta 106, no. 3: e202200169.
https://doi.org/10.1002/hlca.202200169 - Egli M and Manoharan M. (2023) "Chemistry, Structure and Function of Approved Oligonucleotide Therapeutics." Nucleic Acids Research 51, no. 6: 2529-2573. https://doi.org/10.1093/nar/gkad067
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- Marrosu E et al. (2017) "Gapmer Antisense Oligonucleotides Suppress the Mutant Allele of COL6A3 and Restore Functional Protein in Ullrich Muscular Dystrophy." Molecular Therapy - Nucleic Acids 8: 416-427.
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https://doi.org/10.1080/15476286.2022.2052641
