RNA2.0？一文读懂环状RNA的发展历程

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在1976年，环状RNA首次被科学家们发现，但由于当时技术手段和理论认知的局限，它们并未受到应有的重视和深入研究。然而，随着时间的推移，这些一度被忽视的分子逐渐显露出其独特的生物学价值和潜力。它们不仅在细胞生理和疾病发展中扮演着关键角色，更在生物医学研究领域掀起了一场革命，引领我们进入了一个被称为“RNA 2.0时代”的新时代。

环状RNA介绍

环状RNA（circular RNA，简称circRNA）是一类特殊的非编码RNA分子，它们具有闭合的环状结构，没有5'到3'的极性，与线性RNA相比，circRNA具有独特的生物学特性和功能。

由于没有自由的末端，circRNA比线性RNA更稳定，不易被细胞内的RNA降解酶降解，因此在细胞内可以存在较长时间；circRNA可以作为miRNA（microRNA，一种小RNA分子）的海绵，通过与miRNA结合，阻止miRNA与其靶mRNA结合，从而调节基因表达；可以与特定的RNA结合蛋白相互作用，影响这些蛋白的功能或稳定性，还具有参与细胞内信号的传导等功能。

▲图片来源：2022年Cell 文献^[1]

尽管circRNA最初被认为是非编码RNA，但近年来的研究发现，它们确实具有编码蛋白的潜力。2018年来自MIT的科学家们利用此特性，设计出反向剪切的circRNA，首次证实工程化的circRNA可在真核细胞内稳定、高效表达蛋白。至此开始，科研界和产业界开始对circRNA进行更为系统和深入的探索与改造，展现出替代传统线性mRNA、成为新一代治疗药物的巨大潜力。这种创新的RNA形式有望在多样化的治疗场景中发挥重要作用，为疾病治疗提供了全新的策略和可能性。

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circRNA特性

工程化的circRNA可以通过不同的环化方式成环，包括化学催化合成、连接酶、核酶连接成环，由于核酶方法成环率和纯度高的特点，是目前合成circRNA的主流方法，其中核酶成环又分为I型和II型。

▲ 图片来源: 2018年Nature Communication文章^[2]

相较于线性RNA，circRNA由于缺少自由的5'和3'末端，展现出更高的稳定性，能有效抵御RNA外切酶的降解作用，因此在生物体内拥有更长的存续时间。科学家们巧妙地在circRNA的表达载体中引入IRES序列，使其能够与核糖体特异性结合，从而启动翻译过程，这使得circRNA无需依赖传统的cap修饰和polyA尾巴即可进行翻译，使用修饰核苷酸，尤其是N6-甲基腺苷（m6A）修饰，进一步增强了circRNA的翻译能力，使其能够高效编码蛋白质，同时保持较低的免疫原性。

近年来，科学家们借助人工智能算法对circRNA进行精心设计，显著提升了circRNA的序列稳定性、蛋白翻译效率以及免疫原性，并在小鼠模型中成功验证了其疗效^[3]。斯坦福大学的教授团队通过不断优化circRNA载体的序列和关键元件，有效提升了circRNA的表达水平和作用持续时间，实现了蛋白质在体内外的高效和长期表达。这些突破不仅展现了circRNA在生物医学领域的应用潜力，也为未来的基因治疗和疫苗开发提供了新的思路和工具。

▲ 图片来源: 2022年Nature Biotechnology 文章^[4]

circRNA的挑战

尽管circRNA在稳定性方面优于线性RNA，但关于它们的表达调控和确切作用机制，目前尚缺乏全面的理解。为了充分发挥circRNA在治疗学中的潜力，必须进一步深入研究以优化其应用。同时，由于circRNA与线性RNA在序列上的高度相似性，带来了准确检测和定量的挑战，这要求我们发展更为精细和准确的技术方法。此外，circRNA的生产和纯化过程相较于线性RNA可能更为复杂，在大规模生产和纯化过程中需要对工艺进行更加系统的优化。

在考虑将circRNA作为药物或疫苗的候选分子时，其在体内的免疫原性和长期安全性评估不可或缺。为了使circRNA在治疗应用中发挥最大效用，建立有效的递送系统至关重要。这涉及到研究和提高circRNA进入细胞的效率以及在体内的特异性表达。此外，将circRNA的研究从实验室阶段推进到临床应用，需要经历一系列严格的验证步骤，包括详尽的临床前研究和临床试验，以确保其安全性、有效性和实用性。

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circRNA展望

虽然目前环状RNA（circRNA）作为药物分子在临床应用方面还处于起步阶段，但国内外已有数家公司在这一领域取得了显著进展，例如，2021年3月，北京大学魏文胜教授团队开发了针对新冠病毒的circRNA疫苗，在小鼠和猴子身上展现出优异的效果；2022年7月科锐迈德提交了首个circRNA肿瘤项目cmRNA1210项目CDE III类会议，将circRNA应用于动物身上；2023年11月上海交大医学院附属第一人民医院和苏州科锐迈德利用编码候选抗原pp65的环状RNA（cmRNA）转染的自体单核细胞来源的树突状细胞（moDC）可以有效在体外筛选和扩增抗原特异性T细胞，并表现出较线性mRNA转染的moDC更好的效力。

展望未来，circRNA的潜力无限，预示着在医学和生物技术领域将扮演关键角色。然而，要实现这些潜力，我们必须面对并克服技术难题、伦理考量以及社会接受度等多方面的挑战。随着研究的深入和创新技术的不断涌现，我们有理由相信，环状RNA将在未来的医疗健康领域发挥出革命性的影响。

Reference：

[1] Chen.Cell 185, June 9, 2022

[2] Wesselhoeft.Nat.Commun,9.2018

[3] Zhang.Nature,14,september,2023

[4] Howard.Nat.Biotechnol,41,2022

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作者 | Rain Zhang

审核 | George Zhou

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