環(huán)形 RNA（circular RNA,circRNA）是一類廣泛存在于真核細胞中的內源性非編碼 RNA 分子，在生物體發(fā)育過程中發(fā)揮著重要作用。其獨特的環(huán)狀結構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，circRNA 在 RNA 適配體、 guide RNA 等領域的應用受到了廣泛關注，近年來甚至被用于 SARS-CoV-2 疫苗的研發(fā)。隨著 circRNA 設計及體外和體內合成技術的不斷進步，其在大規(guī)模工程化生產中的潛力日益顯現，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，中國科學院動物研究所趙方慶團隊在?Nature Reviews Bioengineering?發(fā)表了題為?“Engineering circular RNA medicines”?的綜述文章。該綜述詳細總結了 circRNA 藥物的設計與開發(fā)，并重點闡述了環(huán)形 RNA 藥物設計的關鍵要素。文章還概述了 circRNA 在疾病預防與治療方面的最新進展，并展望了 circRNA 作為生物醫(yī)學新興領域的重要轉化前景。

與傳統的信使 RNA (mRNA) 不同，circRNA 是一種獨特的單鏈非編碼 RNA，其封閉的環(huán)狀結構通過反向剪接機制生成，即下游剪接供體與上游剪接受體結合形成閉合環(huán)。天然 circRNA 可通過編碼蛋白質、結合 miRNA、或與 RNA 結合蛋白相互作用等途徑調控基因表達。研究表明，工程化 circRNA 在治療和基因調控領域展現出巨大的潛力（圖 1）。通過引入內部核糖體進入位點（IRES）或 N6-甲基腺苷（m6A）修飾，circRNA 可實現帽非依賴性的蛋白質翻譯，從而成為穩(wěn)定的免疫和治療蛋白傳遞平臺。此外，基于環(huán)狀開放閱讀框的設計，circRNA 能夠通過讀框移位等機制合成比其編碼序列更長的蛋白質。在調控層面，circRNA 可通過海綿機制吸附 miRNA，或通過與 RNA 結合蛋白交互以及反義互補作用，調節(jié)基因表達。在基因編輯領域，環(huán)形導向 RNA (gRNA) 已展示出更高效、持久的 A-to-I RNA 編輯效果，并成功應用于多基因編輯的 CRISPR 系統開發(fā)。

由于其獨特的環(huán)狀結構，circRNA 相較于線性 RNA 具有更高的穩(wěn)定性和更長的半衰期。然而，circRNA 的生產過程涉及額外的環(huán)化與純化步驟，亟需開發(fā)更高效的環(huán)化平臺，以減少外源序列的引入并降低免疫原性風險。本文總結了體外和體內合成 circRNA 的主要策略。在體外合成方面，可采用化學連接、酶促連接或核酶催化等方法生成 circRNA，隨后進行嚴格的純化以提高產品質量。對于體內合成，則通過將質粒 DNA 運送至靶細胞，利用反向剪接或轉錄后自動催化裂解等機制實現 circRNA 的表達。

circRNA 的高穩(wěn)定性為其在疫苗和治療領域提供了獨特優(yōu)勢。盡管目前多數 circRNA 研究仍處于設計和臨床前測試階段，其在感染性疾病疫苗和癌癥免疫治療中的轉化潛力不容忽視。與傳統線性 mRNA 疫苗相比，circRNA 能夠在體內實現長期表達，從而產生更持久的免疫反應。例如，在小鼠模型中，基于 circRNA 的狂犬病疫苗通過甘露糖修飾的脂質納米顆粒展現出出色的穩(wěn)定性和更強的抗體反應。此外，circRNA 疫苗還可用于癌癥免疫治療，通過編碼腫瘤抗原激發(fā)免疫反應。例如，circRNAOVA-luc 疫苗在小鼠黑色素瘤模型中成功誘導抗腫瘤免疫反應，并有效抑制腫瘤進展。同時，特異性設計的 circFAM53B-219 抗原肽在乳腺癌患者中表現出腫瘤特異性的免疫活性。這些研究結果表明，circRNA 疫苗不僅可以用于預防感染性疾病，還為癌癥免疫治療提供了創(chuàng)新性方案。

隨著全長 circRNA 測序技術的突破以及人工智能輔助生物信息學算法的優(yōu)化，circRNA 的設計和安全性問題有望得到更全面的解決。例如，RNA 語言模型已經用于優(yōu)化 mRNA 的 5′ UTR 序列，并成功設計出新的功能性核酶，這一策略預計能進一步提升 circRNA 的穩(wěn)定性和翻譯效率。在未來幾年中，隨著 circRNA 生產工藝的持續(xù)改進和生物信息學技術的不斷進步，circRNA 有望在感染性疾病疫苗、癌癥免疫治療以及罕見病替代療法等領域實現快速發(fā)展。

該綜述由中國科學院動物研究所趙方慶研究員團隊成員曹曉菲、蔡鄭依和張金陽共同完成，并獲得了國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃項目等資助。

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

圖1.環(huán)形RNA元件設計及其應用

來源：中科院