Nusinersen 結構中，含有下列何種已修飾的鹼基（ modified base ）？

本題觀念：

本題考查的是反義寡核苷酸 (Antisense Oligonucleotide, ASO) 藥物 Nusinersen (Spinraza) 的化學結構修飾。這類藥物為了增加穩定性、親和力並降低免疫原性，通常會對核酸骨架（Backbone）、糖基（Sugar）以及鹼基（Base）進行修飾。Nusinersen 是一個全修飾的 2'-O-methoxyethyl (2'-MOE) ASO，其關鍵的鹼基修飾是將所有的胞嘧啶 (Cytosine) 替換為 5-甲基胞嘧啶 (5-methylcytosine)。

影像分析：

我們需要從選項中辨識出各個鹼基的結構：

• 選項 A：

  • 結構特徵：這是一個嘧啶環 (pyrimidine ring)。在 C2 和 C4 位置有羰基 (C=O)，在 C5 位置有一個甲基 (-CH3)。
  • 辨識：這是 Thymine (胸腺嘧啶)，也就是 5-methyluracil (5-甲基尿嘧啶)。雖在 DNA 中常見，但在 RNA 藥物設計中，T 常被用來取代 U 以增加穩定性。

• 選項 B：

  • 結構特徵：這是一個嘧啶環。在 C2 位置有羰基 (C=O)，在 C4 位置有胺基 (-NH2)，在 C5 位置有一個甲基 (-CH3)。
  • 辨識：標準的 Cytosine (胞嘧啶) 在 C5 是沒有甲基的。加上甲基後，這個結構是 5-methylcytosine (5-甲基胞嘧啶)。

• 選項 C：

  • 結構特徵：這是一個嘌呤環 (purine ring)。在 C6 位置的胺基上有一個甲基修飾 (-NH-CH3)。
  • 辨識：這是 N6-methyladenine (N6-甲基腺嘌呤)。

• 選項 D：

  • 結構特徵：這是一個嘌呤環。在 C6 有羰基 (C=O)，在 C2 有胺基 (-NH2)。
  • 辨識：這是標準的 Guanine (鳥嘌呤)。

選項分析：

• (A) Thymine (5-methyluracil)：Nusinersen 的序列中確實含有 Thymine (用來代替 Uracil)，但 Thymine 通常被視為 DNA 的標準鹼基，而非特指的「修飾鹼基」。在 ASO 藥物化學中，提到修飾鹼基時，主要針對的是為了藥理特性而特別改變的結構。
• (B) 5-methylcytosine (正確答案)：Nusinersen 的化學結構設計中，所有的胞嘧啶 (Cytosine) 都被修飾為 5-甲基胞嘧啶 (5-methylcytosine)。這是一個關鍵的修飾，因為未修飾的 CpG 基序 (CpG motif) 容易活化 Toll-like receptor 9 (TLR9)，引起不必要的免疫反應。將 C 改為 5-mC 可以顯著降低這種免疫毒性，同時也能稍微增加與標的 RNA 的結合親和力（提高 Tm 值）。因此，這是 Nusinersen 結構中最具代表性的鹼基修飾。
• (C) N6-methyladenine：Nusinersen 的結構中不包含此修飾鹼基。
• (D) Guanine：這是標準鹼基，並非修飾鹼基。

答案解析：

Nusinersen (商品名 Spinraza) 是一種治療脊髓性肌肉萎縮症 (SMA) 的反義寡核苷酸藥物。其化學結構具有以下特徵：

1. 骨架修飾：磷酸二酯鍵 (Phosphodiester) 被替換為硫代磷酸酯鍵 (Phosphorothioate, PS)，以抵抗核酸酶降解。
2. 糖基修飾：核糖的 2'位置全部修飾為 2'-O-2-methoxyethyl (2'-MOE)，以增加親和力及穩定性。
3. 鹼基修飾：序列中的每一個胞嘧啶 (Cytosine, C) 殘基都在 C5 位置加上了甲基，成為 5-methylcytosine (5-mC)。

題目詢問 Nusinersen 含有何種「已修飾的鹼基」，指的即是 5-methylcytosine。對照影像分析，選項 B 的結構正是 5-methylcytosine。

核心知識點：

1. Nusinersen 結構口訣：MOE + PS + 5-mC。
   • MOE: 2'-O-Methoxyethyl (糖基修飾)
   • PS: Phosphorothioate (骨架修飾)
   • 5-mC: 5-methylcytosine (鹼基修飾)
2. 5-methylcytosine 的作用：在 ASO 藥物中，將 C 改為 5-mC 的主要目的是降低免疫原性 (減少 TLR9 活化) 並增加雙股螺旋的穩定性 (增加 Tm 值)。
3. 結構辨識：
   • Cytosine: 2-keto, 4-amino.
   • 5-methylcytosine: 2-keto, 4-amino, 5-methyl.

參考資料

1. Spinraza (nusinersen) Prescribing Information: Describes the chemical structure as a 2'-O-(2-methoxyethyl) phosphorothioate oligonucleotide where "all cytosines are 5-methylcytosines".
2. Finkel RS, et al. "Nusinersen versus Sham Control in Infantile-Onset Spinal Muscular Atrophy." N Engl J Med. 2017.
3. Pharmacology textbooks on Antisense Oligonucleotides: Highlighting 5-mC as a standard modification in second-generation (MOE) ASOs.