中國科學院動物所團隊綜述環形RNA藥物設計

環形 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，在生物體發育過程中發揮著重要作用。其獨特的環狀結構使其免受外切酶降解，因此比線性 RNA 更加穩定。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。隨著 circRNA 設計及體外和體內合成技術的不斷進步，其在大規模工程化生產中的潛力日益顯現，有望成為一種穩定且低免疫原性的 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，并重點闡述了環形 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。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，從而成為穩定的免疫和治療蛋白傳遞平臺。此外，基于環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，調節基因表達。在基因編輯領域，環形導向 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。

由于其獨特的環狀結構，circRNA 相較于線性 RNA 具有更高的穩定性和更長的半衰期。然而，circRNA 的生產過程涉及額外的環化與純化步驟，亟需開發更高效的環化平臺，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 的高穩定性為其在疫苗和治療領域提供了獨特優勢。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 的穩定性和翻譯效率。在未來幾年中，隨著 circRNA 生產工藝的持續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、國家重點研發計劃項目等資助。

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

圖1.?環形RNA元件設計及其應用