摘要：在分子生物学和基因疗法的迅速发展中，环状RNA（circRNA）作为一种新兴的RNA分子形式，正逐渐引起科学界的广泛关注。与传统的线性RNA不同，环状RNA以其独特的环状结构和出色的稳定性，在细胞内展现出了长时间的生物活性和显著的抗降解特性。
在分子生物学和基因疗法的迅速发展中，环状RNA（circRNA）作为一种新兴的RNA分子形式，正逐渐引起科学界的广泛关注。与传统的线性RNA不同，环状RNA以其独特的环状结构和出色的稳定性，在细胞内展现出了长时间的生物活性和显著的抗降解特性。
尽管环状RNA最初被视为细胞代谢的副产物，但随着研究的深入，其在基因调控、蛋白质编码以及疾病治疗等领域的潜力不断被挖掘，尤其在疫苗开发和生物制剂领域，环状RNA正逐步展现出革命性的应用前景。这种曾经被忽视的分子，如今正走上科学舞台的中央，为应对复杂的医学挑战提供了新的解决方案，并为未来医学的进步注入了强大的驱动力。
PART.01
从幕后走向前台的环状RNA
环状RNA是一种单链、非编码（意味着它不表达蛋白质）RNA。与线性RNA不同，它形成共价闭合的连续环。这意味着在环状RNA中，通常存在于RNA分子中的3'和5'端是连接在一起的。
环状RNA的发现历史可以追溯到20世纪70年代，当时它们首次在植物类病毒中被发现，后来又在丁型肝炎病毒中被发现。最初，人们认为这些环状RNA是罕见的或异常RNA剪接的副产物。20世纪90年代初，环状RNA也在真核细胞的细胞质中被发现。
直到2010年代高通量RNA测序和生物信息学出现后，研究人员才开始认识到环状RNA在真核生物中的广泛存在和潜在意义。2012年的一项研究揭示了它们在物种间的丰富性和保守性。这项研究和后续研究表明，环状RNA是一类普遍存在且重要的非编码RNA，具有多种调节功能。
从那时起，环状RNA的研究领域迅速扩大，研究揭示了它们在基因调控中的作用、作为疾病生物标志物的潜力以及它们参与各种生理和病理的过程。如今，环状RNA被认为是基因表达调控的关键参与者，与多种生物功能和疾病有关。已发现数以千计的环状RNA存在于多种生物体中，它们的表达与发育阶段、生理状况和癌症等疾病有关。
Circular RNA（环状RNA）是一种特殊的RNA分子，其结构不同于传统的线性RNA。其环状RNA的5'端和3'端连接在一起，形成一个闭合的环状结构。这种独特的结构使其在细胞内更加稳定，难以被核酸外切酶降解。
PART.02
环状RNA的主要特点
01、结构稳定性
环状RNA通过反向剪接（back-splicing）的过程生成，其中单体前mRNA分子的5′和3′端连接在一起。这会产生一种不受RNA核酸外切酶影响且比线性RNA更稳定的环状结构。由于其闭合的环状结构，环状RNA在细胞内具有更高的稳定性，能够存在较长时间，不容易被分解。
02、非编码功能
许多环状RNA不编码蛋白质，但它们在基因调控、转录后调控、miRNA的海绵吸附（即环状RNA与miRNA结合，阻止miRNA与其靶标结合）等方面具有重要功能。
03、表达广泛
环状RNA在许多生物物种和组织类型中都有表达，包括人类、植物和动物，并在各种生物学过程中发挥作用。
PART.03
环状RNA的研究意义
环状RNA（circular RNA，circRNA）的研究近年来得到了广泛关注，主要是由于其独特的结构、稳定性，以及在基因调控和疾病中的重要作用（图1）。
01、生物学功能的多样性
图1. 环状RNA功能：环状RNA可以与蛋白质和其他RNA相互作用，充当microRNA海绵，调节转录，在某些情况下，它们也可以翻译成蛋白质；来源：Cell Death and Disease
环状RNA在细胞中的功能远比最初认为的要复杂和多样。它们在以下几个方面发挥重要作用：
miRNA海绵吸附：许多环状RNA能够与miRNA结合，阻止miRNA与其靶基因结合，从而调控基因的表达。这种功能被称为“miRNA海绵”，通过抑制miRNA的活性，环状RNA可以调节多个基因通路。转录调控：一些环状RNA能够与RNA结合蛋白（RBP）相互作用，影响RNA剪接、转录后修饰或翻译过程。翻译功能：虽然大多数环状RNA被认为是不编码蛋白质的，但一些研究发现，环状RNA在特定条件下能够翻译成小肽。这些小肽可能在细胞功能和疾病中起到独特的作用。02、作为疾病的潜在生物标志物
环状RNA在多种疾病中的异常表达，使其成为有前景的生物标志物。
癌症诊断：在多种癌症（如肝癌、乳腺癌、胃癌等）中，特定的环状RNA表现出显著的上调或下调。这些异常表达的环状RNA可以作为早期诊断的生物标志物。例如，circRNA_100290被发现与口腔鳞状细胞癌的发生密切相关。神经退行性疾病：在阿尔茨海默病、帕金森病等神经退行性疾病中，一些环状RNA的表达模式与疾病进展相关。因此，它们有潜力成为这些疾病的诊断标志物或预后评估工具。心血管疾病：一些研究表明，环状RNA与心血管疾病，如动脉粥样硬化和心肌梗死等相关。特定的环状RNA可能作为这些疾病的预警指标。03、治疗靶点的潜力
环状RNA的功能及其在疾病中的作用，也使其成为潜在的治疗靶点。
图2. 环状RNA的生理和病理功能。环状RNA在生理条件下在调节组织发育、细胞增殖、先天免疫、自噬和神经元功能方面发挥重要作用。环状RNA还参与疾病的发生和发展，包括癌症、心血管疾病、代谢疾病、炎症和神经退行性疾病；来源：Cell Death & Differentiation
环状RNA的失调与各种疾病有关，包括癌症、神经退行性疾病和与年龄相关的疾病（图2）。例如，特定的环状RNA可以与细胞中的DNA结合并引起导致癌症的突变。在帕金森病中，人脑中的环状RNA在该疾病的病理学中发挥作用。环状RNA还参与衰老和与年龄相关的疾病，调节细胞衰老和与年龄相关的疾病的发展。
由于环状RNA的稳定性和特异性，可以通过RNA干扰（RNAi）技术靶向特定的circRNA，从而调控相关基因的表达，这种方法在癌症治疗中展现了潜力。例如，抑制特定的癌症相关环状RNA，可以有效地抑制肿瘤的生长和转移。
随着对环状RNA结构和功能的深入了解，设计针对特定环状RNA的分子药物将成为可能。这些药物可以阻止环状RNA与其靶蛋白或miRNA的相互作用，从而改变疾病的进程。
04、基础生物学研究的工具
环状RNA作为一种独特的生物分子，也为基础生物学研究提供了新的工具和方法：
基因表达调控的研究模型：环状RNA作为非编码RNA的一种类型，可以作为研究基因表达调控机制的新模型。通过操控环状RNA的表达，可以研究特定基因的调控路径及其在细胞过程中的作用。细胞内RNA动力学的研究：环状RNA的稳定性使其成为研究RNA在细胞内运输、定位和降解过程的理想工具。研究环状RNA在细胞内的动态变化，可以揭示RNA分子在细胞生理学中的角色。PART.04
环状RNA对于疫苗开发的价值
环状RNA在疫苗开发领域正展现出巨大的潜力。尽管这一研究方向尚处于起步阶段，但其独特的生物学特性使其成为疫苗开发的有力工具。
01、稳定性和持久性表达
环状RNA的闭合环状结构使其在细胞内具有极高的稳定性，难以被核酸外切酶降解。这种稳定性在疫苗开发中具有特别重要的意义，因为它可以保证抗原在体内的持续表达，从而增强免疫反应。相比于线性mRNA疫苗，环状RNA可以在更长时间内提供持续的抗原表达，可能减少接种次数或延长免疫效果。
02、有效的抗原表达
初步研究表明，环状RNA可以被细胞内的翻译机制识别，并有效地产生目标抗原。由于环状RNA的结构没有游离的末端，可能会降低其在细胞内被识别为外源RNA（如病毒RNA）的风险，从而减少免疫抑制反应的发生。这种特性有助于提高疫苗的安全性和有效性。
03、免疫逃逸和靶向递送
环状RNA疫苗可以通过在其序列中插入特定的元素，实现对免疫系统的逃逸或靶向递送。例如，环状RNA可以与特定的纳米颗粒或脂质体结合，形成疫苗载体系统，靶向递送至特定的免疫细胞（如树突状细胞或巨噬细胞）。这种靶向递送可以提高疫苗的效率，减少副作用。
04、适应不同病原体和变异株
环状RNA的可编程性使其能够快速适应不同的病原体和病毒变异株。通过修改环状RNA的序列，可以快速设计出针对新的病原体或变异株的疫苗。这种灵活性在应对快速变化的病毒（如流感病毒或冠状病毒）时尤为重要，环状RNA疫苗有望为此类病毒提供快速有效的防御手段。
05、生产和储存的优势
环状RNA的高稳定性不仅在生物学上有优势，还在生产和储存上提供了实际利益。相比于传统的mRNA疫苗，环状RNA疫苗在不需要复杂的冷链条件下，可能具有更好的稳定性。这种特性使其在全球疫苗分发，特别是在资源匮乏地区，具有明显的优势。
PART.05
环状RNA前景广阔，科学家认为它可能优于近年来彻底改变疫苗技术的mRNA。
相较于mRNA疫苗，环状RNA在以下方面展现了潜在优势：
01、更高的稳定性
环状RNA的环状结构使其在细胞内具有更长的半衰期，这可能减少疫苗所需的剂量或接种次数。
环状RNA的结构没有线性RNA的5'和3'末端，这种闭合的环状结构使得它在细胞内更难被核酸酶（特别是外切酶）识别和降解。线性RNA分子暴露的末端通常是降解的切入点，而环状RNA由于没有这些末端，其稳定性大大提高。环状RNA在细胞内能够长时间保持完整性，不容易被分解。这意味着它可以在细胞内持续存在，更长时间地表达编码的蛋白质或抗原（在疫苗开发中，研究人员可以设计和合成能够编码蛋白质的环状RNA）。环状RNA的半衰期显著延长，意味着它在体内的存在时间比线性RNA更长，从而可以持续发挥作用。
在疫苗开发中，稳定性高的RNA分子意味着可以通过较少的剂量实现足够的抗原表达，这在环状RNA疫苗的开发中具有重要的应用前景。
降低剂量：由于环状RNA在细胞内的持久性，单次接种可能会在体内持续表达抗原，从而引发足够的免疫反应。相比之下，稳定性较低的线性RNA可能需要更高的剂量或多次接种才能达到同样的效果。降低接种次数：环状RNA的持续抗原表达可以减少疫苗接种的频次，从而简化疫苗接种程序，提高患者的依从性。这对于需要长期免疫效果的疫苗，或在需要快速大规模接种的情况下，具有特别重要的意义。02、更低的免疫原性
环状RNA由于缺乏开放末端，可能引发较低的先天免疫反应，从而减少副作用并提高疫苗的安全性。线性RNA分子具有5'末端和3'末端，这些开放末端在细胞内可以被识别为外源RNA，尤其是在感染或其他病理的情况下。这些末端可能被细胞内的模式识别受体识别，进而触发先天免疫反应。
先天免疫反应是机体对病原体的第一道防线，会迅速产生对外源RNA的抗体应答，包括产生干扰素和其他炎症因子。这种反应虽然是抵御病原体的重要机制，但在疫苗开发中，过度的先天免疫反应可能导致副作用，如注射部位炎症、发热等全身反应。
环状RNA因为其环状结构，缺乏5'和3'开放末端，减少了被细胞内的模式识别受体识别的几率。这意味着由于难以被识别为外源RNA，环状RNA更不容易激活强烈的先天免疫反应。这有助于减少因先天免疫反应过强而引起的副作用，如局部或全身性炎症反应。较低的先天免疫反应可以提高疫苗的安全性，特别是在多次接种或大规模人群免疫时，减少了不良反应的发生率。
环状RNA的这一特性使其特别适合用于开发疫苗，尤其是在需要多次接种或用于免疫功能较弱的个体时。这种结构稳定且低免疫原性的分子可能提供一种更安全的疫苗选择，并且在长效免疫或需要持续抗原表达的情况下表现出优势。
03、持续的抗原表达
由于其稳定性，环状RNA可以持续表达抗原，可能在增强免疫反应方面具有优势。
在免疫系统中，抗原的持续存在有助于诱导更强和更持久的免疫反应。环状RNA由于其在细胞内的持久表达能力，可以持续刺激免疫系统：
增强免疫记忆：长时间的抗原暴露可以更有效地激活B细胞和T细胞，形成更强的免疫记忆，从而在实际感染发生时提供更强的保护。优化免疫反应：持续的抗原表达有助于优化初次免疫反应和后续的免疫增强，这在预防快速传播的病毒或变异迅速的病原体时尤为重要。04、临床和公共卫生的优势
在实际应用中，环状RNA的高稳定性带来了多重优势：
物流和储存优势：与mRNA类似，环状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，需要冷链储存，运输困难，使其使用变得复杂。而这正是环状RNA可以介入并取代它的地方，因为它的制造成本更低，而且更耐用。高稳定性的环状RNA疫苗可能对储存条件要求较低，特别是在低资源环境中，能够在不依赖复杂冷链的情况下运输和储存，从而大大提升疫苗的可及性。更高的患者依从性：减少接种次数和剂量，能够提高患者的依从性，减少因多次接种带来的不便和不适感，从而提高疫苗接种覆盖率。PART.06
未来展望
环状RNA技术正在重塑疫苗和生物制剂开发的前沿格局，其独特的环状结构不仅赋予了产品显著的稳定性和更长的半衰期，还解决了线性RNA分子面临的易降解问题。这种稳健的分子特性使环状RNA在细胞内能够持续表达抗原，从而提供持久而有效的免疫保护，显著减少了传统疫苗所需的剂量和接种次数。这对于提升疫苗的全生命周期效果具有革命性意义，特别是在应对快速传播的传染病和应对大规模流行病时，环状RNA疫苗展现出前所未有的优势。
在未来，环状RNA技术有望突破疫苗领域的现有边界，不仅在传染病防控中占据重要地位，还将在癌症免疫治疗、自身免疫疾病治疗等高度复杂的医学领域发挥关键作用。其潜在应用包括编码肿瘤特异性抗原，以诱导针对癌细胞的强大免疫应答，以及设计能够调节免疫系统的RNA分子，用于治疗各种免疫相关疾病。
更为重要的是，环状RNA的分子结构使其对储存和运输条件的依赖性大大降低，极大地提高了疫苗和生物制剂的可及性，特别是在资源有限的环境下。这种优势不仅有助于实现全球范围内更广泛的公共卫生覆盖，还为未来应对突发性全球健康危机提供了一种更具弹性的解决方案。
随着环状RNA技术的不断成熟和其应用范围的持续扩大，这一平台有望成为生物医药领域的核心创新驱动力，推动疫苗和生物制剂开发进入一个全新的时代。它所带来的长效免疫、高效抗原表达、安全性提升和应用多样性，将为医学研究和全球健康提供前所未有的机遇，奠定新一代治疗方案的基础。
参考文献：
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.
来源：药渡数据库
