環(huán)形 RNA（circular RNA,circRNA）是一類廣泛存在于真核細(xì)胞中的內(nèi)源性非編碼 RNA 分子，在生物體發(fā)育過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。其獨(dú)特的環(huán)狀結(jié)構(gòu)使其免受外切酶降解，因此比線性 RNA 更加穩(wěn)定。自 2010 年代初以來(lái)，circRNA 在 RNA 適配體、 guide RNA 等領(lǐng)域的應(yīng)用受到了廣泛關(guān)注，近年來(lái)甚至被用于 SARS-CoV-2 疫苗的研發(fā)。隨著 circRNA 設(shè)計(jì)及體外和體內(nèi)合成技術(shù)的不斷進(jìn)步，其在大規(guī)模工程化生產(chǎn)中的潛力日益顯現(xiàn)，有望成為一種穩(wěn)定且低免疫原性的 RNA 治療手段。

2024 年 11 月 21 日，中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所趙方慶團(tuán)隊(duì)在?Nature Reviews Bioengineering?發(fā)表了題為?“Engineering circular RNA medicines”?的綜述文章。該綜述詳細(xì)總結(jié)了 circRNA 藥物的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，并重點(diǎn)闡述了環(huán)形 RNA 藥物設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要素。文章還概述了 circRNA 在疾病預(yù)防與治療方面的最新進(jìn)展，并展望了 circRNA 作為生物醫(yī)學(xué)新興領(lǐng)域的重要轉(zhuǎn)化前景。

與傳統(tǒng)的信使 RNA (mRNA) 不同，circRNA 是一種獨(dú)特的單鏈非編碼 RNA，其封閉的環(huán)狀結(jié)構(gòu)通過(guò)反向剪接機(jī)制生成，即下游剪接供體與上游剪接受體結(jié)合形成閉合環(huán)。天然 circRNA 可通過(guò)編碼蛋白質(zhì)、結(jié)合 miRNA、或與 RNA 結(jié)合蛋白相互作用等途徑調(diào)控基因表達(dá)。研究表明，工程化 circRNA 在治療和基因調(diào)控領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛力（圖 1）。通過(guò)引入內(nèi)部核糖體進(jìn)入位點(diǎn)（IRES）或 N6-甲基腺苷（m6A）修飾，circRNA 可實(shí)現(xiàn)帽非依賴性的蛋白質(zhì)翻譯，從而成為穩(wěn)定的免疫和治療蛋白傳遞平臺(tái)。此外，基于環(huán)狀開(kāi)放閱讀框的設(shè)計(jì)，circRNA 能夠通過(guò)讀框移位等機(jī)制合成比其編碼序列更長(zhǎng)的蛋白質(zhì)。在調(diào)控層面，circRNA 可通過(guò)海綿機(jī)制吸附 miRNA，或通過(guò)與 RNA 結(jié)合蛋白交互以及反義互補(bǔ)作用，調(diào)節(jié)基因表達(dá)。在基因編輯領(lǐng)域，環(huán)形導(dǎo)向 RNA (gRNA) 已展示出更高效、持久的 A-to-I RNA 編輯效果，并成功應(yīng)用于多基因編輯的 CRISPR 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。

由于其獨(dú)特的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，circRNA 相較于線性 RNA 具有更高的穩(wěn)定性和更長(zhǎng)的半衰期。然而，circRNA 的生產(chǎn)過(guò)程涉及額外的環(huán)化與純化步驟，亟需開(kāi)發(fā)更高效的環(huán)化平臺(tái)，以減少外源序列的引入并降低免疫原性風(fēng)險(xiǎn)。本文總結(jié)了體外和體內(nèi)合成 circRNA 的主要策略。在體外合成方面，可采用化學(xué)連接、酶促連接或核酶催化等方法生成 circRNA，隨后進(jìn)行嚴(yán)格的純化以提高產(chǎn)品質(zhì)量。對(duì)于體內(nèi)合成，則通過(guò)將質(zhì)粒 DNA 運(yùn)送至靶細(xì)胞，利用反向剪接或轉(zhuǎn)錄后自動(dòng)催化裂解等機(jī)制實(shí)現(xiàn) circRNA 的表達(dá)。

circRNA 的高穩(wěn)定性為其在疫苗和治療領(lǐng)域提供了獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。盡管目前多數(shù) circRNA 研究仍處于設(shè)計(jì)和臨床前測(cè)試階段，其在感染性疾病疫苗和癌癥免疫治療中的轉(zhuǎn)化潛力不容忽視。與傳統(tǒng)線性 mRNA 疫苗相比，circRNA 能夠在體內(nèi)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期表達(dá)，從而產(chǎn)生更持久的免疫反應(yīng)。例如，在小鼠模型中，基于 circRNA 的狂犬病疫苗通過(guò)甘露糖修飾的脂質(zhì)納米顆粒展現(xiàn)出出色的穩(wěn)定性和更強(qiáng)的抗體反應(yīng)。此外，circRNA 疫苗還可用于癌癥免疫治療，通過(guò)編碼腫瘤抗原激發(fā)免疫反應(yīng)。例如，circRNAOVA-luc 疫苗在小鼠黑色素瘤模型中成功誘導(dǎo)抗腫瘤免疫反應(yīng)，并有效抑制腫瘤進(jìn)展。同時(shí)，特異性設(shè)計(jì)的 circFAM53B-219 抗原肽在乳腺癌患者中表現(xiàn)出腫瘤特異性的免疫活性。這些研究結(jié)果表明，circRNA 疫苗不僅可以用于預(yù)防感染性疾病，還為癌癥免疫治療提供了創(chuàng)新性方案。

隨著全長(zhǎng) circRNA 測(cè)序技術(shù)的突破以及人工智能輔助生物信息學(xué)算法的優(yōu)化，circRNA 的設(shè)計(jì)和安全性問(wèn)題有望得到更全面的解決。例如，RNA 語(yǔ)言模型已經(jīng)用于優(yōu)化 mRNA 的 5′ UTR 序列，并成功設(shè)計(jì)出新的功能性核酶，這一策略預(yù)計(jì)能進(jìn)一步提升 circRNA 的穩(wěn)定性和翻譯效率。在未來(lái)幾年中，隨著 circRNA 生產(chǎn)工藝的持續(xù)改進(jìn)和生物信息學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，circRNA 有望在感染性疾病疫苗、癌癥免疫治療以及罕見(jiàn)病替代療法等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)快速發(fā)展。

該綜述由中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所趙方慶研究員團(tuán)隊(duì)成員曹曉菲、蔡鄭依和張金陽(yáng)共同完成，并獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目等資助。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s44222-024-00259-1

圖1.環(huán)形RNA元件設(shè)計(jì)及其應(yīng)用

來(lái)源：中科院