在分子生物學和基因療法的迅速發(fā)展中，環(huán)狀RNA（circRNA）作為一種新興的RNA分子形式，正逐漸引起科學界的廣泛關注。與傳統(tǒng)的線性RNA不同，環(huán)狀RNA以其獨特的環(huán)狀結構和出色的穩(wěn)定性，在細胞內展現出了長時間的生物活性和顯著的抗降解特性。

       盡管環(huán)狀RNA最初被視為細胞代謝的副產物，但隨著研究的深入，其在基因調控、蛋白質編碼以及疾病治療等領域的潛力不斷被挖掘，尤其在疫苗開發(fā)和生物制劑領域，環(huán)狀RNA正逐步展現出革命性的應用前景。這種曾經被忽視的分子，如今正走上科學舞臺的中央，為應對復雜的醫(yī)學挑戰(zhàn)提供了新的解決方案，并為未來醫(yī)學的進步注入了強大的驅動力。

       從幕后走向前臺的環(huán)狀RNA

       環(huán)狀RNA是一種單鏈、非編碼（意味著它不表達蛋白質）RNA。與線性RNA不同，它形成共價閉合的連續(xù)環(huán)。這意味著在環(huán)狀RNA中，通常存在于RNA分子中的3'和5'端是連接在一起的。

       環(huán)狀RNA的發(fā)現歷史可以追溯到20世紀70年代，當時它們首次在植物類病毒中被發(fā)現，后來又在丁型肝炎病毒中被發(fā)現。最初，人們認為這些環(huán)狀RNA是罕見的或異常RNA剪接的副產物。20世紀90年代初，環(huán)狀RNA也在真核細胞的細胞質中被發(fā)現。

       直到2010年代高通量RNA測序和生物信息學出現后，研究人員才開始認識到環(huán)狀RNA在真核生物中的廣泛存在和潛在意義。2012年的一項研究揭示了它們在物種間的豐富性和保守性。這項研究和后續(xù)研究表明，環(huán)狀RNA是一類普遍存在且重要的非編碼RNA，具有多種調節(jié)功能。

       從那時起，環(huán)狀RNA的研究領域迅速擴大，研究揭示了它們在基因調控中的作用、作為疾病生物標志物的潛力以及它們參與各種生理和病理的過程。如今，環(huán)狀RNA被認為是基因表達調控的關鍵參與者，與多種生物功能和疾病有關。已發(fā)現數以千計的環(huán)狀RNA存在于多種生物體中，它們的表達與發(fā)育階段、生理狀況和癌癥等疾病有關。

       Circular RNA（環(huán)狀RNA）是一種特殊的RNA分子，其結構不同于傳統(tǒng)的線性RNA。其環(huán)狀RNA的5'端和3'端連接在一起，形成一個閉合的環(huán)狀結構。這種獨特的結構使其在細胞內更加穩(wěn)定，難以被核酸外切酶降解。

       環(huán)狀RNA的主要特點

       結構穩(wěn)定性

       環(huán)狀RNA通過反向剪接（back-splicing）的過程生成，其中單體前mRNA分子的5′和3′端連接在一起。這會產生一種不受RNA核酸外切酶影響且比線性RNA更穩(wěn)定的環(huán)狀結構。由于其閉合的環(huán)狀結構，環(huán)狀RNA在細胞內具有更高的穩(wěn)定性，能夠存在較長時間，不容易被分解。

       非編碼功能

       許多環(huán)狀RNA不編碼蛋白質，但它們在基因調控、轉錄后調控、miRNA的海綿吸附（即環(huán)狀RNA與miRNA結合，阻止miRNA與其靶標結合）等方面具有重要功能。

       表達廣泛

       環(huán)狀RNA在許多生物物種和組織類型中都有表達，包括人類、植物和動物，并在各種生物學過程中發(fā)揮作用。

       環(huán)狀RNA的研究意義

       環(huán)狀RNA（circular RNA，circRNA）的研究近年來得到了廣泛關注，主要是由于其獨特的結構、穩(wěn)定性，以及在基因調控和疾病中的重要作用（圖1）。

       生物學功能的多樣性

       圖1. 環(huán)狀RNA功能：環(huán)狀RNA可以與蛋白質和其他RNA相互作用，充當microRNA海綿，調節(jié)轉錄，在某些情況下，它們也可以翻譯成蛋白質；來源：Cell Death and Disease

       環(huán)狀RNA在細胞中的功能遠比最初認為的要復雜和多樣。它們在以下幾個方面發(fā)揮重要作用：miRNA海綿吸附：許多環(huán)狀RNA能夠與miRNA結合，阻止miRNA與其靶基因結合，從而調控基因的表達。這種功能被稱為“miRNA海綿”，通過抑制miRNA的活性，環(huán)狀RNA可以調節(jié)多個基因通路。

       轉錄調控：一些環(huán)狀RNA能夠與RNA結合蛋白（RBP）相互作用，影響RNA剪接、轉錄后修飾或翻譯過程。

       翻譯功能：雖然大多數環(huán)狀RNA被認為是不編碼蛋白質的，但一些研究發(fā)現，環(huán)狀RNA在特定條件下能夠翻譯成小肽。這些小肽可能在細胞功能和疾病中起到獨特的作用。

       作為疾病的潛在生物標志物

       環(huán)狀RNA在多種疾病中的異常表達，使其成為有前景的生物標志物。

       癌癥診斷：在多種癌癥（如肝癌、乳腺癌、胃癌等）中，特定的環(huán)狀RNA表現出顯著的上調或下調。這些異常表達的環(huán)狀RNA可以作為早期診斷的生物標志物。例如，circRNA_100290被發(fā)現與口腔鱗狀細胞癌的發(fā)生密切相關。神經退行性疾?。涸诎柎暮Ｄ　⑴两鹕〉壬窠浲诵行约膊≈?，一些環(huán)狀RNA的表達模式與疾病進展相關。因此，它們有潛力成為這些疾病的診斷標志物或預后評估工具。

       心血管疾?。阂恍┭芯勘砻鳎h(huán)狀RNA與心血管疾病，如動脈粥樣硬化和心肌梗死等相關。特定的環(huán)狀RNA可能作為這些疾病的預警指標。

       治療靶點的潛力

       環(huán)狀RNA的功能及其在疾病中的作用，也使其成為潛在的治療靶點。

       圖2. 環(huán)狀RNA的生理和病理功能。環(huán)狀RNA在生理條件下在調節(jié)組織發(fā)育、細胞增殖、先天免疫、自噬和神經元功能方面發(fā)揮重要作用。環(huán)狀RNA還參與疾病的發(fā)生和發(fā)展，包括癌癥、心血管疾病、代謝疾病、炎癥和神經退行性疾??；來源：Cell Death & Differentiation

       環(huán)狀RNA的失調與各種疾病有關，包括癌癥、神經退行性疾病和與年齡相關的疾?。▓D2）。例如，特定的環(huán)狀RNA可以與細胞中的DNA結合并引起導致癌癥的突變。在帕金森病中，人腦中的環(huán)狀RNA在該疾病的病理學中發(fā)揮作用。環(huán)狀RNA還參與衰老和與年齡相關的疾病，調節(jié)細胞衰老和與年齡相關的疾病的發(fā)展。

       由于環(huán)狀RNA的穩(wěn)定性和特異性，可以通過RNA干擾（RNAi）技術靶向特定的circRNA，從而調控相關基因的表達，這種方法在癌癥治療中展現了潛力。例如，抑制特定的癌癥相關環(huán)狀RNA，可以有效地抑制腫瘤的生長和轉移。

       隨著對環(huán)狀RNA結構和功能的深入了解，設計針對特定環(huán)狀RNA的分子藥物將成為可能。這些藥物可以阻止環(huán)狀RNA與其靶蛋白或miRNA的相互作用，從而改變疾病的進程。

       基礎生物學研究的工具

       環(huán)狀RNA作為一種獨特的生物分子，也為基礎生物學研究提供了新的工具和方法：基因表達調控的研究模型：環(huán)狀RNA作為非編碼RNA的一種類型，可以作為研究基因表達調控機制的新模型。通過操控環(huán)狀RNA的表達，可以研究特定基因的調控路徑及其在細胞過程中的作用。

       細胞內RNA動力學的研究：環(huán)狀RNA的穩(wěn)定性使其成為研究RNA在細胞內運輸、定位和降解過程的理想工具。研究環(huán)狀RNA在細胞內的動態(tài)變化，可以揭示RNA分子在細胞生理學中的角色。

       環(huán)狀RNA對于疫苗開發(fā)的價值

       環(huán)狀RNA在疫苗開發(fā)領域正展現出巨大的潛力。盡管這一研究方向尚處于起步階段，但其獨特的生物學特性使其成為疫苗開發(fā)的有力工具。

       穩(wěn)定性和持久性表達

       環(huán)狀RNA的閉合環(huán)狀結構使其在細胞內具有極高的穩(wěn)定性，難以被核酸外切酶降解。這種穩(wěn)定性在疫苗開發(fā)中具有特別重要的意義，因為它可以保證抗原在體內的持續(xù)表達，從而增強免疫反應。相比于線性mRNA疫苗，環(huán)狀RNA可以在更長時間內提供持續(xù)的抗原表達，可能減少接種次數或延長免疫效果。

       有效的抗原表達

       初步研究表明，環(huán)狀RNA可以被細胞內的翻譯機制識別，并有效地產生目標抗原。由于環(huán)狀RNA的結構沒有游離的末端，可能會降低其在細胞內被識別為外源RNA（如病毒RNA）的風險，從而減少免疫抑制反應的發(fā)生。這種特性有助于提高疫苗的安全性和有效性。

       免疫逃逸和靶向遞送

       環(huán)狀RNA疫苗可以通過在其序列中插入特定的元素，實現對免疫系統(tǒng)的逃逸或靶向遞送。例如，環(huán)狀RNA可以與特定的納米顆?；蛑|體結合，形成疫苗載體系統(tǒng)，靶向遞送至特定的免疫細胞（如樹突狀細胞或巨噬細胞）。這種靶向遞送可以提高疫苗的效率，減少副作用。

       適應不同病原體和變異株

       環(huán)狀RNA的可編程性使其能夠快速適應不同的病原體和病毒變異株。通過修改環(huán)狀RNA的序列，可以快速設計出針對新的病原體或變異株的疫苗。這種靈活性在應對快速變化的病毒（如流感病毒或冠狀病毒）時尤為重要，環(huán)狀RNA疫苗有望為此類病毒提供快速有效的防御手段。

       生產和儲存的優(yōu)勢

       環(huán)狀RNA的高穩(wěn)定性不僅在生物學上有優(yōu)勢，還在生產和儲存上提供了實際利益。相比于傳統(tǒng)的mRNA疫苗，環(huán)狀RNA疫苗在不需要復雜的冷鏈條件下，可能具有更好的穩(wěn)定性。這種特性使其在全球疫苗分發(fā)，特別是在資源匱乏地區(qū)，具有明顯的優(yōu)勢。

       環(huán)狀RNA疫苗相對于mRNA疫苗的優(yōu)勢

       環(huán)狀RNA前景廣闊，科學家認為它可能優(yōu)于近年來徹底改變疫苗技術的mRNA。相較于mRNA疫苗，環(huán)狀RNA在以下方面展現了潛在優(yōu)勢：

       更高的穩(wěn)定性

       環(huán)狀RNA的環(huán)狀結構使其在細胞內具有更長的半衰期，這可能減少疫苗所需的劑量或接種次數。

       環(huán)狀RNA的結構沒有線性RNA的5'和3'末端，這種閉合的環(huán)狀結構使得它在細胞內更難被核酸酶（特別是外切酶）識別和降解。線性RNA分子暴露的末端通常是降解的切入點，而環(huán)狀RNA由于沒有這些末端，其穩(wěn)定性大大提高。環(huán)狀RNA在細胞內能夠長時間保持完整性，不容易被分解。這意味著它可以在細胞內持續(xù)存在，更長時間地表達編碼的蛋白質或抗原（在疫苗開發(fā)中，研究人員可以設計和合成能夠編碼蛋白質的環(huán)狀RNA）。環(huán)狀RNA的半衰期顯著延長，意味著它在體內的存在時間比線性RNA更長，從而可以持續(xù)發(fā)揮作用。

       在疫苗開發(fā)中，穩(wěn)定性高的RNA分子意味著可以通過較少的劑量實現足夠的抗原表達，這在環(huán)狀RNA疫苗的開發(fā)中具有重要的應用前景。

       降低劑量：由于環(huán)狀RNA在細胞內的持久性，單次接種可能會在體內持續(xù)表達抗原，從而引發(fā)足夠的免疫反應。相比之下，穩(wěn)定性較低的線性RNA可能需要更高的劑量或多次接種才能達到同樣的效果。

       降低接種次數：環(huán)狀RNA的持續(xù)抗原表達可以減少疫苗接種的頻次，從而簡化疫苗接種程序，提高患者的依從性。這對于需要長期免疫效果的疫苗，或在需要快速大規(guī)模接種的情況下，具有特別重要的意義。

       更低的免疫原性

       環(huán)狀RNA由于缺乏開放末端，可能引發(fā)較低的先天免疫反應，從而減少副作用并提高疫苗的安全性。線性RNA分子具有5'末端和3'末端，這些開放末端在細胞內可以被識別為外源RNA，尤其是在感染或其他病理的情況下。這些末端可能被細胞內的模式識別受體識別，進而觸發(fā)先天免疫反應。

       先天免疫反應是機體對病原體的第一道防線，會迅速產生對外源RNA的抗體應答，包括產生干擾素和其他炎癥因子。這種反應雖然是抵御病原體的重要機制，但在疫苗開發(fā)中，過度的先天免疫反應可能導致副作用，如注射部位炎癥、發(fā)熱等全身反應。

       環(huán)狀RNA因為其環(huán)狀結構，缺乏5'和3'開放末端，減少了被細胞內的模式識別受體識別的幾率。這意味著由于難以被識別為外源RNA，環(huán)狀RNA更不容易激活強烈的先天免疫反應。這有助于減少因先天免疫反應過強而引起的副作用，如局部或全身性炎癥反應。較低的先天免疫反應可以提高疫苗的安全性，特別是在多次接種或大規(guī)模人群免疫時，減少了不良反應的發(fā)生率。

       環(huán)狀RNA的這一特性使其特別適合用于開發(fā)疫苗，尤其是在需要多次接種或用于免疫功能較弱的個體時。這種結構穩(wěn)定且低免疫原性的分子可能提供一種更安全的疫苗選擇，并且在長效免疫或需要持續(xù)抗原表達的情況下表現出優(yōu)勢。

       持續(xù)的抗原表達

       由于其穩(wěn)定性，環(huán)狀RNA可以持續(xù)表達抗原，可能在增強免疫反應方面具有優(yōu)勢。

       在免疫系統(tǒng)中，抗原的持續(xù)存在有助于誘導更強和更持久的免疫反應。環(huán)狀RNA由于其在細胞內的持久表達能力，可以持續(xù)刺激免疫系統(tǒng)：增強免疫記憶：長時間的抗原暴露可以更有效地激活B細胞和T細胞，形成更強的免疫記憶，從而在實際感染發(fā)生時提供更強的保護。

       優(yōu)化免疫反應：持續(xù)的抗原表達有助于優(yōu)化初次免疫反應和后續(xù)的免疫增強，這在預防快速傳播的病毒或變異迅速的病原體時尤為重要。

       臨床和公共衛(wèi)生的優(yōu)勢

       在實際應用中，環(huán)狀RNA的高穩(wěn)定性帶來了多重優(yōu)勢：

       物流和儲存優(yōu)勢：與mRNA類似，環(huán)狀RNA的主要用途可能是制造下一代疫苗。但mRNA疫苗制造成本高昂，需要冷鏈儲存，運輸困難，使其使用變得復雜。而這正是環(huán)狀RNA可以介入并取代它的地方，因為它的制造成本更低，而且更耐用。高穩(wěn)定性的環(huán)狀RNA疫苗可能對儲存條件要求較低，特別是在低資源環(huán)境中，能夠在不依賴復雜冷鏈的情況下運輸和儲存，從而大大提升疫苗的可及性。

       更高的患者依從性：減少接種次數和劑量，能夠提高患者的依從性，減少因多次接種帶來的不便和不適感，從而提高疫苗接種覆蓋率。

       未來展望

       環(huán)狀RNA技術正在重塑疫苗和生物制劑開發(fā)的前沿格局，其獨特的環(huán)狀結構不僅賦予了產品顯著的穩(wěn)定性和更長的半衰期，還解決了線性RNA分子面臨的易降解問題。這種穩(wěn)健的分子特性使環(huán)狀RNA在細胞內能夠持續(xù)表達抗原，從而提供持久而有效的免疫保護，顯著減少了傳統(tǒng)疫苗所需的劑量和接種次數。這對于提升疫苗的全生命周期效果具有革命性意義，特別是在應對快速傳播的傳染病和應對大規(guī)模流行病時，環(huán)狀RNA疫苗展現出前所未有的優(yōu)勢。

       在未來，環(huán)狀RNA技術有望突破疫苗領域的現有邊界，不僅在傳染病防控中占據重要地位，還將在癌癥免疫治療、自身免疫疾病治療等高度復雜的醫(yī)學領域發(fā)揮關鍵作用。其潛在應用包括編碼腫瘤特異性抗原，以誘導針對癌細胞的強大免疫應答，以及設計能夠調節(jié)免疫系統(tǒng)的RNA分子，用于治療各種免疫相關疾病。

       更為重要的是，環(huán)狀RNA的分子結構使其對儲存和運輸條件的依賴性大大降低，極大地提高了疫苗和生物制劑的可及性，特別是在資源有限的環(huán)境下。這種優(yōu)勢不僅有助于實現全球范圍內更廣泛的公共衛(wèi)生覆蓋，還為未來應對突發(fā)性全球健康危機提供了一種更具彈性的解決方案。

       隨著環(huán)狀RNA技術的不斷成熟和其應用范圍的持續(xù)擴大，這一平臺有望成為生物醫(yī)藥領域的核心創(chuàng)新驅動力，推動疫苗和生物制劑開發(fā)進入一個全新的時代。它所帶來的長效免疫、高效抗原表達、安全性提升和應用多樣性，將為醫(yī)學研究和全球健康提供前所未有的機遇，奠定新一代治療方案的基礎。

       參考文獻：

       1.Jeck, W. R. et al. Circular RNAs are abundant, conserved, and associated with ALU repeats. RNA. 2012;18(2):141-157.

       2.Memczak, S. et al. Circular RNAs are a large class of animal RNAs with regulatory potency. Nature. 2013;495(7441):333-338.

       3.Hansen, T. B. et al. Natural RNA circles function as efficient microRNA sponges. Nature. 2013;495(7441):384-388.

       4.Lukiw, W. J. Circular RNA (circRNA) in Alzheimer’s disease (AD). Front Genet. 2013;4:307.Cai, H. et al. Circular RNA involvement in aging: An emerging player with great potential. Mech Ageing Dev.

       5.Shah-Neville, W. Could it soon trump mRNA technology? Labiotech. 09. 08. 2024.