環(huán)狀(circRNA)是一類特殊的共價閉環(huán)RNA分子,在調(diào)控生理和病理進程中,通過不同的機理發(fā)揮著重要作用。傳統(tǒng)上,circRNA被認為是一種非編碼RNA(ncRNA)。2014年,在北卡羅來納大學報導了環(huán)形RNA在細胞內(nèi)可通過非帽依賴的機理來翻譯蛋白,人們認識到circRNA也具有編碼與表達蛋白的能力。此后,隨著體外環(huán)化技術的發(fā)展,比線性mRNA穩(wěn)定性更強的合成circRNA成為mRNA治療領域備受關注的新技術,有望以mRNA藥物相似的遞送方法,實現(xiàn)疾病的治療。
圖1 環(huán)狀RNA結構
一、circRNA的特點
1、強穩(wěn)定性:與線性RNA相比,circRNA的主要優(yōu)勢就是其環(huán)狀結構提高了穩(wěn)定性。因為circRNA中5’和3’末端的缺失使其具有外切酶抗性,不能通過典型的RNA降解途徑降解,需要通過核酸內(nèi)切酶線性化后將其降解(圖2,a-c),因此,具有更高的體內(nèi)穩(wěn)定性,半衰期更長。
圖2 circRNA的降解和翻譯
2、非帽依賴性翻譯:大多數(shù)真核生物mRNA的翻譯起始于5’端,以典型的帽(7GpppN)依賴方式進行(圖2,d),由于步驟復雜且需要招募較多起始因子,該過程具有高能量消耗的特點,因此,當機體處于病毒感染或疾病等細胞應激的不利條件下,該典型翻譯起始將被整體抑制,以確保細胞響應應激并存活。那么當?shù)湫头g機制下調(diào)時,維持細胞生存所需要的關鍵蛋白的產(chǎn)生就需要另一套非典型翻譯機制,即非帽依賴性翻譯—通過內(nèi)部核糖體進入位點(IRES)來驅(qū)動,而這種非帽機制正適合無5’端的circRNA,已知IRES是circRNA主要的翻譯方式。換言之,在疾病治療過程中,當機體處于ER應激、遺傳毒性應激、缺氧、營養(yǎng)剝奪、體溫過低、體溫過高或感染狀態(tài)下,帽依賴性翻譯起始被抑制,線性mRNA無法有效翻譯,基于mRNA的藥物療效降低,而circRNA可憑借非帽依賴性翻譯的機制優(yōu)勢,保證蛋白質(zhì)的正常翻譯,保證藥物療效。
3、多順反子表達:多順反子表達是指從單個mRNA分子中翻譯兩個或多個獨立的基因。對于多順反子線性mRNA,5’cap比IRES的表達更高,導致蛋白表達比例不均。而對于circRNA,通過引入多個IRES-ORF,有可能達到接近化學計量的多順反子表達,因為所有編碼的蛋白質(zhì)都具有相同的翻譯起始機制。雖然這一點尚未得到證實,但circRNA的多順反子表達可能有益于多組分蛋白質(zhì)療法,其中蛋白質(zhì)復合物組分的受控比例至關重要。
4、免疫原性低:線性RNA通過病原體識別受體(如RIG-I、TLR3、TLR7、TLR8等)刺激先天免疫,導致干擾素反應,進而對其翻譯及應用造成了負面影響;而純的circRNA并不存在RIG-I、TLR3、 TLR7及TLR8的識別序列,這種“免疫沉默(immunosilent)"可以使其更有效地表達蛋白質(zhì),而沒有抑制性干擾素反應。此外,先天免疫系統(tǒng)激活減少限制了樹突狀細胞的活化和成熟,有助于防止對編碼的治療蛋白產(chǎn)生免疫力。
二、circRNA的應用
1、蛋白質(zhì)替代療法
蛋白質(zhì)替代療法的目的是恢復那些缺失或有缺陷的蛋白質(zhì)功能,通常是由基因突變導致。采用mRNA治療內(nèi)源蛋白缺失已應用于多種疾病
相對于mRNA,circRNA在蛋白替代療法的應用中具有諸多優(yōu)勢,如結構具有更高的穩(wěn)定性,蛋白質(zhì)表達時間更長;具有與線性RNA相似的蛋白表達峰值,但下降率較低。這些優(yōu)勢使得circRNA可以產(chǎn)生較高的蛋白質(zhì)累積并持續(xù)較長時間;減少給藥頻率,且免疫原性較低。
2、疫苗
mRNA疫苗具有高效、研發(fā)周期短、模塊化生產(chǎn)、低成本等優(yōu)勢,已是通用的疫苗種類,尤其在應對新冠等突發(fā)流行病,其極快的研發(fā)制造能力,優(yōu)勢極為顯著。同時,在面對病毒變異方面,多價mRNA疫苗的易得性可及時提供針對多種病原體的保護,意義重大。
另外,mRNA疫苗的自佐劑效應也為疫苗保護性免疫的誘導提供了支持。在機制上,mRNA會引起與病毒免疫相關的Th1偏向免疫應答,誘導對T細胞擴增和免疫記憶形成至關重要的I型干擾素反應,對病毒預防極有幫助。不過該機制同時也限制了mRNA的帽依賴性翻譯起始,影響表達效率。那么circRNA所使用的非帽依賴性起始機制,例如不受干擾素抑制的IRES,是一種有吸引力的替代方案。在保持circRNA抗原表達穩(wěn)定的同時,更有效地誘導干擾素反應,可能會進一步增強疫苗的保護作用。
疫苗接種的目標是誘導強烈的適應性免疫反應和長期免疫記憶。適應性免疫記憶的誘導部分取決于抗原暴露的持續(xù)時間。因此,RNA編碼抗原的長期表達可以更有效地引發(fā)具有持久免疫記憶的免疫反應 。與mRNA相比,circRNA固有的穩(wěn)定性延長了蛋白質(zhì)翻譯的時間,增加了體內(nèi)的蛋白質(zhì)產(chǎn)量,長期表達抗原可以更有效地誘導具有持久免疫記憶的免疫反應。
3、癌癥免疫療法
癌癥免疫治療采用機體免疫的作用成分如細胞因子、抗體和免疫細胞等進行癌癥的治療?;赗NA的免疫治療可以通過將癌癥新抗原編碼為疫苗、免疫刺激細胞因子、抗體和免疫細胞受體實現(xiàn),具有靈活性及多功能性。此外,還可以通過非病毒載體以mRNA直接轉染T細胞,在體原位生產(chǎn)CAR-T細胞,避免了傳統(tǒng)CAR-T細胞制造的缺點。
circRNA在癌癥免疫治療中有幾個優(yōu)勢:
1)與mRNA相同,circRNA既可應用于腫瘤個性化治療,也可同時編碼多種新抗原,降低癌癥逃逸和復發(fā)風險。對于精準細胞治療,可以通過改變編碼序列輕松定制嵌合抗原受體的circRNA編碼,并定制以靶向不同類型的癌癥進行精準癌癥免疫治療;
2)circRNA的穩(wěn)定性強,可以保證抗原蛋白的穩(wěn)定表達;circRNA癌癥疫苗可以延長抗原呈遞,獲得更強的免疫反應;增加免疫刺激蛋白,如細胞因子和小抗體片段的表達時間,可以更好地將免疫細胞招募到腫瘤部位;
3)早期研究表明,修飾mRNA的低免疫原性對腫瘤中的蛋白質(zhì)表達很重要,因此circRNA固有的較低免疫原性對于腫瘤內(nèi)免疫刺激蛋白表達更具優(yōu)勢。未修飾的RNA激活先天免疫系統(tǒng)將降低抗體表達,阻止適應性免疫細胞有效募集到腫瘤中;
4)由于IRES啟動的非帽依賴性翻譯既可適應各種復雜的腫瘤環(huán)境,也可抵抗癌細胞減緩蛋白翻譯并逃逸細胞因子或抗體免疫治療機制,增加了不同癌癥治療的一致性。
4、基因編輯
在基因編輯方面,基于circRNA的穩(wěn)定性,首先可應用于小的RNA組分,比如向?qū)NA(adRNA/gRNA),因為在基因編輯系統(tǒng)中的向?qū)NA是最脆弱的,很容易被核酸酶降解;其次,circRNA也有望用于編碼基于蛋白質(zhì)的編輯器以進行基因編輯。與mRNA相比,circRNA提供的穩(wěn)定性和穩(wěn)健表達可以使Cas9蛋白的持久性更長,增加的蛋白表達可能會顯著提高基因編輯效率。
在ADARs介導的RNA編輯中,2019年,北京大學魏文勝課題組曾研發(fā)出了借助gRNA募集ADAR實現(xiàn)RNA精準編輯的新策略[1]:LEAPER™。LEAPER™通過在細胞中表達短工程化的ADAR募集RNA(ADAR-recruiting RNA,arRNA)來完成ADAR的招募以及RNA編輯,由于這種技術彼時尚不成熟,具有一定長度的arRNA可能引起鄰近的堿基的脫靶編輯。2022年,魏文勝課題組推出了LEAPER™的升級版本—— LEAPER™ 2.0,設計并運用了可招募ADAR的環(huán)形RNA(circular ARAR-recruiting RNA,circ-arRNA)[2],通過AAV遞送,遺傳編碼的circ-arRNA可以在人的原代細胞和類器官中實現(xiàn)長時程的RNA編輯,這種可避免核酸外切酶切割的環(huán)狀RNA進一步提升了體外和體內(nèi)編輯的效率和精準性,基本清除了雙鏈RNA區(qū)域內(nèi)目標轉錄本上的脫靶。
5、非編碼環(huán)狀RNA治療
circRNA在細胞內(nèi)具有內(nèi)源性非編碼功能,如miRNA和RNA結合蛋白海綿功能。circRNA作為調(diào)控RNA,具有作為miRNA和RNA結合蛋白的競爭性抑制劑從而進行治療的潛力。不過目前已有研究都處于體外實驗階段,尚未有體內(nèi)數(shù)據(jù),不過受限于遞送問題,體內(nèi)模型可能也難以實現(xiàn)。
circRNA是共價封閉的、高度穩(wěn)定的RNA形式,具有巨大的治療應用潛力。與線性蛋白相比,circRNA具有穩(wěn)定性和蛋白質(zhì)表達增強的能力等優(yōu)點,在疫苗開發(fā)、癌癥免疫治療、蛋白質(zhì)替代治療和基因編輯方面有著廣闊的可應用空間??傊甤ircRNA在基于RNA的藥物領域是一種有潛力的RNA形式,有望更新個性化治療手段。
參考文獻
[1]Yi, Z., Zhu, S., et al. (2019). Programmable RNA editing by recruiting endogenous ADAR using engineered RNAs. Nature biotechnology, 37(9), 1059–1069.
[2] Yi, Z., Qu, L., Tang, H. et al. Engineered circular ADAR-recruiting RNAs increase the efficiency and fidelity of RNA editing in vitro and in vivo. Nat Biotechnol 40, 946–955 (2022).
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