ヌクレオチドとは？ヌクレオシドと何が違い、医薬品でどう使われるのか

ヌクレオチド核酸を構成する単量体単位で、塩基・糖・リン酸から成り、DNAやRNAの最小構成要素。詳しく →とは、塩基・糖・リン酸の3つがつながった分子で、DNAとRNAの鎖をつくる1つ1つの単位です。このうちリン酸を持たず、塩基と糖だけでできたものをヌクレオシドと呼びます。

ただし、医薬品に使われるヌクレオチドは、天然のままとは限りません。核酸医薬、mRNA、抗ウイルス薬のそれぞれで、3つの部品のどこかに手を加えたものが使われています。

部品とヌクレオシドとの違いを押さえたうえで、医薬品ごとにどの部品を変えているのか、製造ではどんな形で原料にするのかを順に見ます。

1. ヌクレオチドは、塩基・糖・リン酸の3つの部品からなる分子

ヌクレオチドは、塩基と糖とリン酸がつながった、核酸の基本の単位です。 3つの部品には、それぞれ役目があります。

• 塩基⁠：遺伝情報を担う部分で、DNAではアデニン（A）・グアニン（G）・シトシン（C）・チミン（T）、RNAではTの代わりにウラシル（U）を使います。AとGはプリン塩基、C・T・Uはピリミジン塩基と呼ばれます。
• 糖⁠：5つの炭素を持つ糖で、RNAはリボース、DNAはデオキシリボースです。デオキシリボースには、リボースの2'の位置にあるヒドロキシ基（OH）がありません。
• リン酸⁠：糖の5'の位置に付き、1個から3個までつながります。負の電荷を持ち、鎖の中では隣の糖どうしをつなぐ役目をします。

鎖の中では、糖とリン酸が交互につながって骨格をつくり、塩基が骨格から横に出て並びます。この塩基の並び順が、配列です。

図をダウンロード（会員・無料）

2. ヌクレオシドとの違いは、リン酸が付いているかどうか

ヌクレオシドは、塩基と糖だけでできていて、リン酸を持たないものです。 国際純正・応用化学連合（IUPAC）の用語集は、ヌクレオシドを、リン酸化されていない点でヌクレオチドと異なるものとしています。

名前を見ると、どちらかが分かります。アデニンにリボースが付いたものはアデノシンというヌクレオシドで、これにリン酸が1個付くとアデノシン一リン酸（AMP）、3個付くとアデノシン三リン酸（ATP）というヌクレオチドです。

リン酸が3個付いた形は、まとめてヌクレオシド三リン酸（NTP）と呼ばれます。名前に「ヌクレオシド」と入っていても、リン酸を持つのでヌクレオチドの仲間です。

⁠リン酸の有無は、名前の違いだけでなく、細胞膜を通るかどうかを分けます。 リン酸は電荷を持つため、リン酸の付いた分子は細胞膜を通りにくくなります。この性質が、6節の抗ウイルス薬の設計に関わってきます。

3. 医薬品は、ヌクレオチドのどの部品を変えているのか

医薬品は、目的に合わせて、リン酸・糖・塩基のどこかに手を加えています。 天然のままでは、分解されやすい、免疫に見つかる、ウイルスの複製を止められないといった点で、医薬品の目的に合わないからです。

同じヌクレオチドでも、変える場所と目的は医薬品ごとに違います。次の3つの節で、1つずつ理由を見ます。

図をダウンロード（会員・無料）

4. 核酸医薬は、なぜリン酸と糖を変えるのか

天然のDNAやRNAの短い鎖は、細胞の中ですぐに分解されてしまうからです。 核酸を切る酵素（ヌクレアーゼ核酸を分解する酵素です。製造では培養由来の残存DNA/RNAを分解・除去して製品の純度を高める目的で使い、ベンゾナーゼが代表例です。詳しく →）は、鎖の端からも途中からも働きます。

承認された核酸医薬の化学を整理した総説は、使われている修飾を、主に少数の糖と骨格の修飾にまとめています。

• ホスホロチオエート（PS）リン酸骨格の酸素の一つを硫黄に置き換えた核酸の修飾。分解耐性を高め、体内動態にも寄与する。詳しく →結合⁠：リン酸の、鎖をつながない側の酸素を硫黄に置き換えます。ヌクレアーゼに分解されにくくなり、血漿のタンパク質にも結合しやすくなります。
• 糖の2'の修飾⁠：2'-O-メチル核酸の糖2'位に施す化学修飾。安定性や免疫原性の調整に用いる。詳しく →（2'-OMe核酸の糖の2'位に施す化学修飾。標的との結合親和性とヌクレアーゼ耐性を高める。詳しく →）、2'-フルオロ（2'-F）、2'-O-メトキシエチル（2'-MOE）などです。糖の形が標的のRNAと組みやすい形にそろい、結合が強くなるうえ、2'のOHを起点に鎖が切れる反応も起きなくなります。

どの位置にどの修飾を入れるかは、核酸医薬の種類によって変わります。設計の考え方はアンチセンス核酸（ASO）とsiRNAの化学修飾で扱います。

5. mRNAでは、なぜウリジンを置き換えるのか

修飾しないmRNAは、細胞の自然免疫病原体を素早く感知して働く生体防御の仕組み。dsRNAをウイルスの痕跡とみなし炎症反応を起こします。詳しく →のセンサーに外来のRNAとして見つかり、タンパク質を作る前に翻訳が止まりやすいからです。

新型コロナウイルスのmRNAワクチン BNT162b2（一般名トジナメラン）では、mRNAのウリジンがすべてN1-メチルシュードウリジン（m1Ψ）ウリジンを置き換える代表的な修飾ヌクレオシド。mRNAの免疫刺激を抑え、翻訳や安定性の向上に使われます。に置き換えられています。m1Ψ治療用mRNAでウリジンの代わりに全置換して使う改変ヌクレオシドで、免疫回避と翻訳量向上を担う。詳しく →はアデニンと対を作れるため、配列の読み方は変わりません。

置き換えは、mRNAを作る段階で行います。鋳型のDNAからRNAを写し取るIVT（in vitro転写鋳型から試験管内でmRNAを合成する反応で、副生成物として二本鎖RNAが生じる。詳しく →）の反応に、ウリジン三リン酸（UTP）の代わりにm1Ψの三リン酸を入れると、T7 RNAポリメラーゼDNA鋳型を読み取り、対応するRNA鎖を合成する酵素。詳しく →がそれを取り込みます。

ただし、m1Ψがタンパク質の量を上げる効果は配列によって変わり、ウリジンのほうが良い結果を出した配列もあると報告されています。詳しくはN1-メチルシュードウリジンとはで扱います。

6. 抗ウイルス薬は、なぜヌクレオシドの形で投与するのか

細胞に入ったヌクレオシドアナログ（天然のヌクレオシドに似せた化合物）は、キナーゼ（リン酸を付ける酵素）によって段階的に三リン酸へと変わります。三リン酸の形はウイルスのポリメラーゼに材料として取り込まれ、複製を乱したり止めたりします。

鎖を止める仕組みの代表は、3'の位置のOHがないことです。次のヌクレオチドがつながる足場がないため、取り込まれたところで鎖の伸長が止まります。

選択性の工夫もあります。アシクロビルは、ウイルスのチミジンキナーゼのほうが細胞のキナーゼより速くリン酸を付けるため、感染した細胞で多く活性型に変わります。

リン酸を初めから付けた形で届けたいときは、細胞の中で外れにくいホスホン酸でリン酸を置き換え、細胞膜を通るように別の基で覆ったプロドラッグ体内で代謝されて初めて活性を示す形にした薬。膜透過性を高めて吸収させる工夫などに使う。詳しく →にします。テノホビルのプロドラッグがその例です。

7. 製造では、ヌクレオチドをどんな形の原料として使うのか

化学合成では保護したヌクレオシドのアミダイトオリゴ核酸を化学合成する際、一塩基ずつ鎖に付け足していく反応性のモノマー原料です。核酸合成の基本となる構成単位です。詳しく →、酵素による合成ではヌクレオシド三リン酸（NTP）を原料にします。 鎖の作り方が違うため、原料の形も違います。

• 化学合成（ホスホロアミダイト法固体担体上で核酸を1塩基ずつ化学的に伸長させる合成法。ASOやsiRNAの製造の中核。）：核酸医薬の短い鎖を作る方法です。原料のアミダイトは、ヌクレオシドの5'のOHをジメトキシトリチル（DMT）基で保護し、3'に反応する基を付けたものです。固相に付けた3'の端から、脱保護・結合・キャッピング・酸化の4工程を繰り返して1つずつ伸ばします。
• 酵素による合成（IVTDNA鋳型から試験管内でRNAを合成する反応。mRNA医薬の製造に用いる。詳しく →）：mRNAのような長い鎖を作る方法です。ATPやUTPを含む4種類のNTP（またはその修飾体）を入れ、RNAポリメラーゼが鋳型の配列どおりにつなぎます。

化学合成ではリン酸の部分を1工程ずつ組み立て、酵素による合成ではリン酸を3個持つNTPを材料に使います。工程の中身はオリゴ核酸の固相合成とT7 IVTの収率と品質で扱います。

8. 自分の品目では、原料のヌクレオチドの何を確かめるか

最初に確かめるのは、どの部品をどの修飾に変えたヌクレオチドを、どの形で仕入れるかです。 同じ「ヌクレオチド」でも、品目によって原料の姿が違います。

• どの部品を変えているか⁠：塩基・糖・リン酸のどこを修飾したかを、配列の位置ごとに書き出します。
• 原料はアミダイトかNTPか⁠：化学合成なら保護したヌクレオシドのアミダイト、IVT（in vitro生きた動物の体外で、試験管やシャーレなどを用いて細胞・組織・分子レベルで行う実験を指す用語。詳しく →転写）ならヌクレオシド三リン酸（NTP）として、どの形の原料が要るかを決めます。
• 修飾が合成の反応に乗るか⁠：IVTでは修飾したNTPをポリメラーゼが取り込めるか、化学合成では修飾したアミダイトが結合の工程で十分に反応するかを、小さなスケールで確かめます。

ヌクレオチドとヌクレオシドの違いは、リン酸を持つかどうかの差です。その差が、薬が細胞に入れるか、原料をどの形で用意するかまで決めています。原料を選ぶ前に、自分の品目でリン酸・糖・塩基のどこを変えているかを書き出すところから始めます。

参考文献

• NHGRI, Talking Glossary of Genomic and Genetic Terms, Nucleotide と RNA (Ribonucleic Acid)（ヌクレオチドの3つの部品、RNAの糖と塩基）
• IUPAC, Compendium of Chemical Terminology (Gold Book), nucleosides（リン酸化されていない点でヌクレオチドと異なるとする定義）
• Egli M, Manoharan M. Chemistry, structure and function of approved oligonucleotide therapeutics. Nucleic Acids Res. 2023;51(6):2529-2573.（天然の鎖の分解、ホスホロチオエート結合核酸をヌクレアーゼによる分解から守る化学修飾のひとつ。修飾sgRNAの末端などに用いる。、2'の修飾による結合の強化とヌクレアーゼ耐性）
• Nance KD, Meier JL. Modifications in an Emergency: The Role of N1-Methylpseudouridine in COVID-19 Vaccines. ACS Cent Sci. 2021;7(5):748-756.（BNT162b2のウリジンの全置換、IVTでUTPの代わりにm1Ψの三リン酸を使うこと、効果が配列で変わること）
• Seley-Radtke KL, Yates MK. The evolution of nucleoside analogue antivirals: A review for chemists and non-chemists. Part 1. Antiviral Res. 2018;154:66-86.（三リン酸への活性化、3'のOHがないことによる鎖の停止、リン酸の極性と細胞膜、アシクロビルの選択性、ホスホン酸とテノホビルのプロドラッグ）
• Eurofins Genomics, Synthesis Process Technology: Phosphoramidite Chemistry（アミダイトの構造と、3'の端から伸ばす4工程）