circRNA是一类没有5’或3’末端的闭合RNA。很长时间内被认为是5’剪接点与上游3’剪接点的罕见和异常剪接的副产品。最近由于高通量RNA测序和生物信息学分析的快速发展,天然circRNA的大量生物学功能被揭示,从蛋白质和基因海绵、细胞活动调节剂到蛋白质翻译模板。此外,随着人们对天然circRNAs生理功能的认识不断加深,近年来,人们对开发circRNA合成技术和探索合成circRNAs在疾病治疗中的应用越来越感兴趣。到目前为止,合成的circRNAs不仅被用于治疗,例如替代治疗性蛋白质和多肽以及疫苗,也用作生物传感器。同时,为了在减少副作用的同时优化治疗效果,已经尝试了各种方法来合成circRNA。
虽然到目前为止,circRNA的生物发生机制仍不完全清楚,但天然的circRNA通常是由RNA反向剪接和规范的线性剪接形成的。只有一小部分circRNA来自一些哺乳动物细胞中的线性剪接,形成内含子circRNA。在内含子circRNA形成过程中,上游供体剪接位点与下游受体剪接位点联结,产生能够避免去分支的内含子 (图1A)。相比之下,大多数包含外显子的circRNA是由前体信使RNA反向剪接产生的。与正向剪接不同,后向剪接需要一个5’供体剪接位点连接到3’受体剪接位点,并在连接部位形成3’-5’磷酸二酯键以产生circRNA(图1B)。
图1. circRNA的生物发生过程
有效地合成circRNAs是理解circRNAs及其生物医学应用的基础。目前已经开发了许多化学方法和细胞内方法来合成circRNA。通常情况下,circRNA是通过合成一个或多个前体线性RNA,然后通过化学或酶连接介导的RNA环化来合成的(图2)。
图2. RNA环化方法的示意图
当包裹在脂质纳米粒(LNPs)中时,与体外和体内5-甲氧基尿苷(5moU)修饰的mRNA相比,没有核苷修饰的circRNA显示出与人促红细胞生成素(hEPO)相似的初始表达效率,并且表达持续时间更长(图3A)。最近,编码SARS-CoV-2 RBD抗原的circRNA也显示出比其线性对应的修饰线性RNA更高的翻译效率和更长的持续时间(图3B)。目前的RNA疫苗需要严格的储存和运输条件,而circRNA疫苗当被包裹在LNP中时,可以在4◦C下保存至少4周,在室温下保存约2周(图3C)。circRNA-LNPs疫苗的热稳定性比线形mRNA-LNPs疫苗好得多。外源circRNA的免疫原性可能是一把双刃剑。一方面,circRNA作为非疫苗蛋白替代治疗药物时,其免疫原性较低。例如,LNP-circRNA被证明可以逃避免疫传感器,并避免在RIG-I和Toll样受体(TLR)活性细胞和小鼠中引发免疫反应。但是,人们发现circRNA的免疫原性与其二级结构和circRNA的合成方法以及circRNA的剂量有关。总体而言,考虑到未经修饰的mRNA疗法过强的免疫原性可能抵消了这些RNA的蛋白质翻译效率,相对较低的天然免疫原性可能被证明是有价值的蛋白质/肽替代疗法。另一方面,外源基因具有诱导天然免疫应答的能力,为新冠肺炎疫苗mRNA1273、BNT162b2等免疫刺激基因疫苗的研制奠定了基础。
图3. 比较线性修饰mRNA和非修饰CircRNA的半衰期、可译性和稳定性
最近,从外来内含子产生的人工合成的circRNAs被证明能够刺激强大的免疫信号,并以依赖RIG-1的方式抑制病毒感染。circRNA的免疫原性也为将其用作自佐剂疫苗提供了可能性。例如,circRNA SARS-CoV-2疫苗可以诱导明显的IL-6和MCP-1的表达,这表明其激活了先天性免疫反应(图4A)。有意思的是,在增强免疫前恢复的IL-6和MCP-1水平以及监测到的稳定体温在一定程度上表明了这些circRNA疫苗的耐受性和安全性(图4B)。这些研究突出了合成蛋白质编码circRNAs作为疫苗和治疗药物的巨大潜力。
图4. circRNA疫苗激活了先天性免疫反应并具有良好的安全性
小编小结
circRNA是RNA家族中又一颗冉冉升起的新星。近年来高通量RNA-seq技术的发展揭示了circRNA的各种功能,激发了人们探索内源性circRNA作为疾病生物标志物的兴趣,并开发合成circRNA作为治疗药物和疫苗。利用一些化学和酶合成策略,circRNAs已经被合成为蛋白质编码或非编码疗法和疫苗。然而,circRNA合成方法仍存在一些局限性,如环化效率低、酶等试剂成本高等。预计,在未来几年内,可以开发先进的circRNA合成技术,以促进circRNA的发展。总之,尽管天然circRNA的功能和合成的circRNA生物学仍有待了解,但目前circRNA作为一类新兴的RNA治疗药物和疫苗已初露锋芒。
参考文献
1.Circular RNA: An emerging frontier in RNA therapeutic targets, RNA therapeutics, and mRNA vaccines.
2.Advances in Circular RNA and Its Applications.
3.Recent research progress on circular RNAs: Biogenesis, properties, functions, and therapeutic potential.
文章来源:生物制药小编
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近年来,RNA疗法及其在疾病治疗中的潜力备受关注,今年诺贝尔生理学或医学奖授予微小RNA(microRNA)领域的研究更是将这一热度推向高峰。在新药研发蓬勃发展的今天,小核酸药物被视为继小分子药和抗体药之后的“第三次制药浪潮”的关键力量。
作者:崔芳菲
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