Posttranskriptionelle Modulation von RNA durch small molecules/Trendbericht Biochemie 2026 1/4

Struktur und Funktion von RNA ändern sich, wenn diese nachträglich chemisch modifiziert wird. Das offenbart eine regulatorische Ebene im „zentralen Dogma des Lebens“.

Posttranskriptionelle Modulation von RNA durch small molecules

Die Natur diversifiziert RNA durch posttranskriptionale Modifikation; diese ähnelt der posttranslationalen Modifikation von Proteinen.¹⁾ RNA-bindende und -modifizierende Proteine, die diese chemischen Modifikationen an RNAs koordinieren, regulieren nahezu alle Aspekte der RNA-Biologie und des RNA-Stoffwechsels in normalen biologischen Prozessen sowie in pathologischen Zellzuständen. Daher ist das Verständnis von Struktur und Funktionen RNA-bindender und modifizierender Proteine²⁾ entscheidend, um neue diagnostische und therapeutische Strategien zu entwickeln. Dazu gehört vor allem, small molecules zu identifizieren, die solche krankheitsassoziierten biologischen Ziele modulieren.

Ansätze zur Krebstherapie

Die Proteine, die solche chemischen Modifikationen an ausgewählten Stellen der RNA erkennen (Readers), hinzufügen (Writers) und entfernen (Erasers), heißen RNA-bindende und -modifizierende Proteine. Sie steuern entscheidende Schritte der RNA-Biogenese und des RNA-Stoffwechsels, darunter RNA-Spleißen, Stabilität, Lokalisierung, Translation, Abbau und Zerfall. Eine Dysregulation von RNA-bindenden und -modifizierenden Proteinen hängt zusammen mit der Entstehung und dem Fortschreiten menschlicher Erkrankungen, besonders von Krebserkrankungen, was sie zu Zielen für Therapien macht.³⁾ Anders als andere etablierte Proteintargets haben RNA-bindende und -modifizierende Proteine oft keine tiefen Ligandenbindungsstellen oder funktionieren über Wechselwirkungen mit RNAs, die mit small molecules schwer zu stören sind.

Aktuell erschließen Forschende diese anspruchsvolle Zielklasse auf der Basis von small molecules: direkte enzymatische Hemmung, gezielter Proteinabbau und durch Nähe induzierte bifunktionelle Moleküle, die Zellprozesse nutzen, um RNA zu verstoffwechseln.

Eine der häufigsten RNA-Modifikationen in eukaryotischen Zellen ist Methylierung an der N6-Position von Adenosin in der mRNA (m⁶A). Fortschritte im RNA-Profiling haben zu einem tieferen Verständnis der biologischen Funktionen der m⁶A-Modifikation geführt. Demzufolge regulieren m⁶A-RNA-bindende und -modifizierende Proteine (Writers, Erasers und Readers) die Tumorentstehung und andere menschliche Erkrankungen (Abbildung 1).⁴⁾ Es folgen Beispiele mit Schwerpunkt auf small molecules, die auf m⁶A-RNA-bindende und -modifizierende Proteine abzielen (Abbildung 2) und Einblicke in dieses schnell wachsende Forschungsgebiet bieten.

Hemmung von METTL3

Der METTL3–METTL14-Komplex, der die m⁶A-Modifikation einführt (Writer), ist unter den m⁶A-RNA-bindenden und -modifizierenden Proteinen das am besten charakterisierte Ziel zur Entwicklung von Inhibitoren.

Yankova und Kollegen führten ein Hochdurchsatz-Screening durch, optimierten die Struktur und identifizierten so den potenten METTL3-Inhibitor STM2457 (IC₅₀ = 16,9 nM), der gegenüber 45 Methyltransferasen mehr als tausendfach selektiv an METTL3 bindet. STM2457 ist S-Adenosylmethionin(SAM)-kompetitiv, stört jedoch nicht die Bildung des METTL3-METTL14-Komplexes.

Die Hemmung von METTL3 durch STM2457 führte in Mausmodellen für akute myeloische Leukämie zu einer beeinträchtigten Transplantatfunktion und einem längeren Überleben.⁵⁾

Dolbois und Kollegen identifizierten durch Kristallographie-basierte Strukturoptimierung weitere wirksame und selektive METTL3-Inhibitoren, darunter UZH2 (IC₅₀ = 5 nM) mit günstigen ADME-Eigenschaften (Absorption, Distribution, Metabolismus, Exkretion).⁶⁾

Guirguis und Kollegen vom Unternehmen Storm Therapeutics haben den METTL3-Inhibitor STM3006 entdeckt. Wie sie zeigten, wirkt Anti-PD-1-Therapie kombiniert mit METTL3-Hemmung besser gegen Krebs als die Einzelwirkstoffe.⁷⁾

Ein weiterer von Storm Therapeutics entwickelter Inhibitor, STC-15, ist der derzeit am weitesten fortgeschrittene METTL3-Inhibitor in der klinischen Entwicklung (Studiennummer: NCT06975293) in Kombination mit dem PD-1-Inhibitor Toripalimab; untersucht wird deren Wirksamkeit und Sicherheit bei nicht-kleinzelligem Lungenkrebs, Plattenepithelkarzinom, Melanom und Endometriumkarzinom. Basierend auf diesen gut charakterisierten METTL3-Inhibitoren wurden optimierte Verbindungen entwickelt.⁸⁾

Abbau von METTL3–METTL14

Die METTL3-Inhibitoren sind wirksam und selektiv, doch diese SAM-kompetitiven Inhibitoren unterliegen Einschränkungen: Erstens erfordern die hohen intrazellulären SAM-Konzentrationen hohe Inhibitor-Konzentrationen, um ausreichend wirksam zu sein. Zweitens übt METTL3 katalytisch unabhängige Funktionen aus; so fördert beispielsweise zytoplasmatisches METTL3 die Translation durch Wechselwirkung mit Transkriptionsfaktoren, unabhängig von seiner Methyltransferase-Aktivität. Small-molecule-Inhibitoren, die nur die enzymatische Funktion blockieren, lassen daher die Gerüstfunktion unberührt, also die Fähigkeit, einen Proteinkomplex zu ordnen oder zusammenzustellen, indem mehrere Proteinkomponenten gebunden werden. Dies könnte die therapeutische Wirkung einschränken. Diese Einschränkungen überwindet die Protac-Strategie (Proteolysis Targeting Chimera), indem sie ganze Proteinkomplexe abbaut und so eliminiert, statt nur die katalytische Aktivität zu hemmen. Zwei unabhängige Gruppen berichteten kürzlich über die ersten beiden METTL3-spezifischen Protacs⁹⁾ und demonstrierten damit, dass sich der Methyltransferase-Komplex abbauen lässt.

Errani und Kollegen optimierten medizinalchemische METTL3-Protacs und synthetisierten Analoga mit unterschiedlichen Linkern und Handles. Ausgehend von der Verbindung UZH2 und deren Desfluor-Derivat AD22 untersuchten sie Linker aus PEG und Alkylverbindungen. Wie sich dabei zeigte, beeinflussen Alkyl-Linker die Zellpermeabilität. Starre Handles, darunter Benzyl-, Piperidin- und Piperazin-Gruppen, förderten die Bildung ternärer Komplexe. Fünf Protacs, darunter Protac29 (Abbildung 2b, S. 69), erreichten einen METTL3-Abbau von mehr als 50 % in verschiedenen Akute-myeloische-Leukämie(AML)-Zellen und in PC3-Prostatakrebszellen. Dass sich der ternäre Komplex bildet, validierte ein FRET-basiertes Assay und einen In-vitro-Ubiquitinierungsassay.^9a)

Du und Kollegen entwickelten WD6305, ein bifunktionelles Molekül, das aus UZH2 besteht, das an einen VHL-E3-Ligase-Liganden gebunden ist. WD6305 induzierte einen dosisabhängigen METTL3-Abbau in AML-Zellen mit einer DC₅₀ von 140 nM und einem D_max von über 90 %. Obwohl WD6305 nicht direkt an METTL14 bindet, reduzierte es die METTL14-Proteinkonzentrationen. Dies deutet daraufhin, dass die Verbindung den METTL3-METTL14-Komplex infolge des METTL3-Abbaus destabilisiert. WD6305 unterdrückte die m⁶A-Modifikation wirksamer als UZH2 allein, induzierte Apoptose und beeinflusste Genexpressionswege, die für die AML-Proliferation relevant sind.^9b) Diese Studien belegen, dass ein pharmakologischer Abbau des METTL3-METTL14-Komplexes möglich ist, und legen nahe, dass den Komplex vollständig zu eliminieren eine rein katalytische Hemmung übertreffen könnte, besonders bei der Beeinflussung nichtenzymatischer Funktionen.

METTL16 – über die Methylierung hinaus

METTL16 ist eine Methyltransferase, die U6-snRNA und MAT2A-mRNA modifiziert und so die SAM-Homöostase reguliert. Sie katalysiert nicht nur, sondern fördert die Translation tausender mRNAs durch zytosolische Wechselwirkungen mit eukaryotischen Initiationsfaktoren.

Liu und Kollegen berichteten über die ersten METTL16-Inhibitoren ihrer Klasse, die sie bei einem Screening basierend auf Fluoreszenzpolarisation identifiziert hatten. Durch systematische Struktur-Wirkungs-Beziehungsstudien aufbauend auf dem ersten Treffer mit 49 Aminothiazolon-Analoga identifizierten sie den Inhibitor GG45 (IC₅₀ = 1,7 μM, Abbildung 2c, S. 69). Die Aminothiazolon-Inhibitoren sind nicht-SAM-kompetitiv und binden an der RNA-Erkennungsfläche statt am aktiven Zentrum der Methyltransferase – ein entscheidender Unterschied, mit dem sich Selektivität unter m⁶A-Writern erreichen lässt, die eine konservierte SAM-Bindungsstelle teilen.¹⁰⁾ Die Inhibitoren unterbrachen die Interaktion von METTL16 mit mehreren RNA-Substraten, darunter U6-snRNA und überraschenderweise auch GGACU-Motiv-RNAs, die typischerweise von METTL3/14 angesteuert werden. Zellstudien zeigten moderate Auswirkungen auf die Lebensfähigkeit, jedoch ein erhöhtes MAT2A-Spleißen und erhöhte Gesamt-m⁶A-Spiegel, was auf eine komplexe Rückkopplungsregulation im Epitranskriptom hindeutet.

Fokus auf m⁶A-RNA-Eraser

Während METTL3 eine m⁶A-Methylierung hinzufügt, entfernen die Demethylasen Fat Mass and Obesity-Associated Enzyme (FTO) und AlkB Human Homologue 5 (ALKBH5) m⁶A; beide sind Fe^II- und 2-Oxoglutarat-abhängige Dioxygenasen, die das dynamische regulatorische Gleichgewicht aufrechterhalten.^11,12) In den letzten zehn Jahren wurden small molecules mit unterschiedlichen Gerüststrukturen, die FTO und ALKBH5 hemmen, als Antikrebswirkstoffe beschrieben. FTO-Inhibitoren wirken durch kompetitive Bindung entweder an die RNA-Substratbindungsstelle oder an die 2-Oxoglutarat-Bindungsstelle. Andere Inhibitoren binden an beide Bindungsstellen oder wirken über andere Mechanismen.¹³⁾ Bei den berichteten ALKBH5-Inhibitoren ist die Aktivität in der Zelle trotz ihrer vielfältigen Struktur und In-vitro-Aktivitäten begrenzt, was ihre Weiterentwicklung in präklinischen Untersuchungen behindert hat.

YTHDF2 und m⁶A-RNA-Reader

Die Proteine der YTH-Domänen-haltigen Familie, zu denen YTHDF1/2/3 und YTHDC1/2 gehören, erkennen die m⁶A-RNA-Modifikation und fördern die Bildung von Komplexen, die für die Regulierung des mRNA-Stoffwechsels verantwortlich sind. Unter den m⁶A-RNA-Readers vermittelt YTHDF2 den mRNA-Abbau, YTHDF1 fördert die Translation, und YTHDF3 fördert mRNA-Abbau und Translation. Obwohl alle m⁶A-Reader Berichten zufolge an der Tumorentstehung und dem Tumorwachstum beteiligt sind, wurde YTHDF2 mit biologischen Aktivitäten in Verbindung gebracht, etwa mit Krebserkrankungen,¹⁴⁾ neuralen Stammzellen und Erkrankungen des Zentralnervensystems. Daher sind YTHDF2-Inhibitoren neben Krebsbehandlung auch für neurologische Erkrankungen interessant.¹⁵⁾

Wie Wang und Kollegen entdeckten, ist YTHDF2 wichtig für Strahlenresistenz:¹⁶⁾ Nach Behandlung mit ionisierender Strahlung vermehren sich myeloide Suppressorzellen und der YTHDF2-Spiegel steigt, was mit einem häufigeren Rückfall bei Krebserkrankungen korreliert. In Mausmodellen steigerte das Entfernen von YTHDF2 in myeloiden Zellen die Wirksamkeit der Strahlentherapie und reduzierte sowohl das Wachstum des Primärtumors als auch Fernmetastasen. Wie die Einzelzell-RNA-Sequenzierung zeigte, ändert ein YTHDF2-Knockout die Differenzierungsverläufe in myeloiden Suppressorzellen. Die Autoren der Studie haben zudem mit Screenings basierend auf Fluoreszenzpolarisation DC-Y13–27 identifiziert (Abbildung 2d, S. 69): Es bindet an die YTH-Domäne und unterbricht die Erkennung m⁶A-haltiger RNA (IC₅₀ = 21,8 μM). DC-Y13–27 verstärkte das Ansprechen auf die Strahlentherapie und synergiert mit der Anti-PD-L1-Immuntherapie. Wie die Arbeit zeigte, fungiert YTHDF2 als myeloider An/Aus-Schalter und zeigte, dass die pharmakologische Hemmung eines m⁶A-Readers die Immunsuppression überwinden kann.

Es wurde über ein paar YTHDF2-gerichtete small molecules berichtet, die unterschiedlich wirksam und selektiv auf Proteine der YTH-Familie wirken.¹⁷⁾ Darüber hinaus wurden mit einem auf Fluoreszenzpolarisation basierenden Screening-Assay small molecules identifiziert, die YTHDF1 selektiv hemmen. YTHDC2-hemmende Moleküle wurden durch eine Deep-Learning-basierte Entdeckungspipeline identifiziert.¹⁸⁾

Zusammenfassung

In den letzten zehn Jahren hat sich die RNA-Modifikation von der deskriptiven Biologie hin zur chemischen Pharmakologie und Therapeutik gewandelt, wobei die fortschrittlichsten METTL3-Inhibitoren derzeit in klinischen Studien getestet werden.

Die Ziellandschaft auf posttranskriptioneller Ebene erweitert sich kontinuierlich. Über die m⁶A-Writer und -Reader hinaus bieten auch andere RNA-Modifikationen neue Möglichkeiten; so hängen bestimmte Krankheiten mit Pseudouridin-Synthasen (PUS-Familie) und 5-Methylcytosin-Writern (NSUN-Familie) zusammen. Neben proteinzentrierten Ansätzen, die auf RNA-bindende und -modifizierende Proteine abzielen, ist der RNA-zentrierte Ansatz eine Alternative: Dabei werden entweder small molecules oder bifunktionelle, auf RNA abzielende small molecules über induzierte Nähe zur RNA-Modulation eingesetzt.¹⁹⁾ Dies wird zu einem neuen Forschungsgebiet und erweitert das Konzept der induzierten Nähe von Proteinen auf RNAs.²⁰⁾

Die ursprüngliche faszinierende Erkenntnis, dass eine einzige chemische Modifikation einzelner Nukleotide das Zellschicksal bestimmen kann, wird nun in therapeutische Möglichkeiten umgesetzt. Das Zusammenspiel von Biologie, Chemie und Medizin im Epitranskriptom veranschaulicht, wie grundlegende Entdeckungen translationale Innovationen ermöglichen. Im kommenden Jahrzehnt werden RNA-bindende und RNA-modifizierende Proteine wahrscheinlich neben Kinasen und epigenetischen Regulatoren zu etablierten Wirkstoffzielen werden. Dabei modulieren small molecules die posttranskriptionelle Landschaft, um Krebs, neurologische und weitere Erkrankungen zu behandeln.

Drei Fragen an den Autor: Peng Wu

Ihre Forschung in 140 Zeichen?

Wir untersuchen small molecules, um RNA-bindende Proteine und krankheitsassoziierte RNAs auf posttranslationaler beziehungsweise posttranskriptioneller Ebene zu beeinflussen.

Welche Methode wurde in den letzten zwölf Monaten vermehrt genutzt, die auch Sie für Ihre Forschung brauchen?

Profiling und Multi-omics-Methoden. Heutzutage geht es nicht mehr nur darum, ob ein neues Molekül wirkt, sondern vor allem darum, die Aktivität eines Moleküls im Kontext der Zellen und unter Berücksichtigung des gesamten Netzwerks interagierender Biomoleküle zu verstehen. Alternative Antworten wären erwartungsgemäß maschinelles Lernen und KI-gestützte Komponenten bei der Entdeckung kleiner Moleküle. Beide Techniken nutze ich in meiner Forschungsgruppe.

Was brauchen Sie heute, was Sie im Studium nicht gelernt haben?

Managementfähigkeiten und Führungsqualitäten. Die Mitglieder meiner Gruppe sind fantastisch darin, wissenschaftliche Probleme in unseren Projekten zu lösen, aber sie bringen einem nicht bei, wie man ein Team aus Mitgliedern mit unterschiedlichen Hintergründen und jeweils eigenen Persönlichkeiten und Arbeitsstilen motiviert. Das lerne ich in der Praxis und aus meinen eigenen Erfolgen und Fehlern.

Peng Wu ist Vertretungs-W3-Professor für Chemie und Biologie an der TU Dortmund und Gruppenleiter am Max-Planck-Institut für molekulare Physiologie. Zuvor war er Assistenzprofessor an der Universität Kopenhagen in Dänemark und Postdoktorand in Harvard, am MIT und am Broad Institute in den USA. Er entwickelt small molecules, die auf RNA-bindende Proteine und krankheitsassoziierte RNAs abzielen, für biologische und therapeutische Anwendungen.

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