什么是环状RNA

环状RNA (circRNA) 目前被归类为非编码RNA (ncRNA)，与线性RNA有着显著不同之处。circRNA的形成是通过反向剪接外显子、内含子或两者的过程，从而形成外显子circRNA或内含子circRNA。它们的独特之处在于其形成了一个共价闭合的连续环，与线性RNA截然不同，有效地阻止RNA核酸外切酶的降解。这个独特的结构使circRNA在细胞质中的分布相当丰富，预示其可能扮演着重要的生物学角色。

目前已经鉴定出2000多种人类circRNA、700多种线虫circRNA和1900多种小鼠circRNA，它们的表达与发育阶段、生理状况以及包括癌症在内的疾病有关。

 

circRNA 发现、研究和开发的里程碑事件

 

circRNA的生物合成

典型的真核前体 mRNA 剪接由剪接体机制催化，去除内含子并连接外显子，从而形成具有 5'–3' 极性的线性 RNA 转录本。

与常规的mRNA剪接不同，circRNA主要是通过反向剪接生成的，不具备常见的末端结构，如5'帽或多聚腺苷酸(poly(A))尾。通过使用前mRNA剪接的抑制剂——isoginkgetin，研究得出了剪接体机制在circRNA生物合成中的作用。circRNA的表达并不总是与circRNA来源的线性转录物的表达水平相关，这表明circRNA的表达受到调节，剪接体必须能够区分正向剪接（规范的线性剪接）和反向剪接。

 

circRNA 剪接

circRNA可以来源于外显子、内含子或二者的组合，产生三种不同类型：外显子circRNA、内含子circRNA和外显子-内含子circRNA。外显子circRNA是通过将3'剪接供体与5'剪接受体相连接来形成的，这在前mRNA剪接过程中形成了一个环。在某些情况下，这种情况发生在单个外显子上，而在其他情况下，上游外显子的起点剪接到下游外显子的末端，中间的RNA被环化，从多个外显子产生circRNA。相反，如果保留了外显子之间的内含子，所得的环状转录物被称为外显子-内含子circRNA。最后，内含子circRNA可以从内含子套索中产生，这些套索能够抵抗脱支酶的降解。内含子circRNA包含一个独特的2'–5'连接，将其与外显子circRNA区分开来。

 

circRNA的特征

circRNA在细胞质中非常丰富、在进化中保守，并且相对稳定。这些特点使其具备许多潜在功能，如充当miRNA的“海绵”，或与RNA相关蛋白结合形成调节基因转录的RNA-蛋白复合物。

• 丰度：由于其更高的表达水平或随时间的积累，环状RNA在各种生物样本和细胞中都能被广泛检测到，通常超过同源线性mRNA的丰度。

• 特异性：环状RNA在不同的细胞类型、组织以及发育阶段中展现出高度的特异性。它们独特的表达模式使其容易辨别。

• 保守性：尽管其独特的生成方式，一些环状RNA序列区域可能在物种之间保持一定的保守性。研究发现，甚至在小鼠和人类等直系同源基因中，环状RNA的保守性可达5%至30%。

• 稳定性：由于其特殊的结构特点，环状RNA相对于线性mRNA更加稳定，抵抗降解。这一属性使得环状RNA容易在唾液、血液等不同体液中被检测出来。

 

circRNA的生物学功能

miRNA“Sponge海绵”：circRNA可能充当miRNA“海绵”，通过隔离miRNA来调控基因表达，符合竞争性内源RNA（ceRNA）假说。

 

circRNA 海绵

转录调节剂：circRNA可以作为其亲代基因的转录调节剂。

翻译成短肽/蛋白质：一些circRNA有潜力编码短肽或蛋白质。

稳定性调节：circRNA可以影响其他RNA分子（如mRNA或lncRNA）的稳定性。

细胞间通信：circRNA可以在外泌体内部积聚并介导细胞间通信，影响细胞反应。

与RNA结合蛋白 (RBP) 互作：circRNA可以与RBP结合，充当诱饵或支架分子，也可指导RBP的细胞定位。

 

环状RNA的功能

circRNA作为生物标志物

越来越多的证据表明circRNA可以作为潜在的生物标志物，用于早期癌症检测、临床诊断和预后的评估。其独特的表达模式、分子稳定性、特异性和在人体各部位的广泛分布，使得circRNA可以通过体液（包括血液、痰和尿液）中的液体活检相对容易地检测和定量，相较于传统组织活检更为便捷和有效。一些circRNA已被发现在不同类型的癌症中表现出强大的预后潜力。

• CiRS-7/CDR1as：CiRS-7/CDR1as是一种广泛存在于肿瘤内基质细胞中的circRNA，它在结肠癌、肺癌和乳腺癌等多种癌症的预后中具有重要作用。

• circERBB2：circERBB2在预测胃癌预后方面表现出强大的潜力，其在术前胃癌患者中的血浆水平与淋巴结转移的发生显着相关。

• circLARP4：肿瘤抑制circRNA，如circLARP4，与多种不同癌症的良好预后相关。

• circUBAP2：致癌性circRNA circUBAP2的检测与HCC、乳腺癌和骨肉瘤等不良预后相关。

 

circRNA 与不同类型癌症相关的临床生物标志物和/或治疗靶点的前景

 

circRNA与耐药性

癌症治疗常常受到内在和获得性耐药性的限制。circRNA表达可以通过多种机制随癌症细胞对化疗、放疗和免疫治疗的反应而变化，成为临床医生调整癌症患者治疗方案的重要指标。

以下是一些circRNA在治疗耐药性中的研究和应用：

• circCRIM1：circCRIM1可以与miR-422a竞争性结合，阻止miR-422a对其靶基因FOXQ1的抑制作用，导致耐药性和转移。

• circ0007534：circ0007534介导了对紫杉醇的耐药性，吸收miR-625并增加miR-625的靶基因ZEB2的表达。

• circAKT3-174aa：circAKT3-174aa降低AKT-thr308磷酸化，抑制细胞增殖，对抗放疗抵抗。

• circRNA-SORE：circRNA-SORE与索拉非尼抑制剂相互作用，介导索拉非尼的耐药性。

 

circRNA的治疗应用

circRNA具备出色的潜力，被认为是下一代RNA疗法的理想平台。

circRNA的优势

高稳定性：circRNA因其环状结构具有卓越的稳定性，能够抵抗外部核酸酶的降解。这使得circRNA在细胞内具有更长的半衰期，有助于维持其治疗效果。

低免疫原性：与线性mRNA相比，circRNA通常表现出较低的免疫原性，降低了潜在的免疫反应，从而减少不必要的炎症反应。

特异性翻译：circRNA能够编码蛋白质，但这通常发生在高度特异的条件下。这种特异性有助于减少不必要的蛋白质合成，降低潜在的毒性和副作用。

基因表达调控：circRNA可以作为miRNA和RNA结合蛋白（RBP）的“海绵”，通过吸附这些分子来调控基因表达。这为疾病治疗提供了新的机会，例如调控癌症相关基因的表达。

靶向疗法的载体：circRNA还可以被设计成为载体，传递特定的核酸序列或药物，实现高度精确的靶向治疗，为治疗目标提供更多可能性。

circRNA的治疗应用

circRNA 疫苗：关于circRNA疫苗的研究表明，它们有望提供更持久、更高效的免疫反应，以及应对SARS-CoV-2的各种变种。这种疫苗有望成为有效、安全的病毒感染预防和应对新兴变种的工具。

研究已经确立了一种circRNA疫苗接种策略，旨在引发对SARS-CoV-2及其新变种的有效中和抗体和T细胞免疫反应。与mRNA RBD-Delta疫苗相比，这项研究中开发的circRNA RBD-Delta疫苗诱导了更高比例的中和抗体，针对Delta和Omicron变体的效力更为显著。作者推测circRNA疫苗不仅能够产生更持久的抗原效应，还具备独特的免疫原性。这预示着circRNA疫苗具备成为一种有效且安全的疫苗接种平台的潜力，可用于预防病毒感染，包括应对SARS-CoV-2新兴变种。

基于circRNA敲低的治疗应用：通过小干扰RNA（siRNA）或短发夹RNA（shRNA）的细胞质递送，可以实现对单个或多个circRNA的RNA干扰。这种策略已用于减少肿瘤生长和扩散。

基于circRNA过表达的治疗应用：circRNA可以通过直接递送到细胞中来增加。这种方法特别适用于拮抗致癌miRNA，从而有望对抗肿瘤发展。

基于circRNA的治疗策略应对癌症治疗失败：某些circRNA介导着癌症治疗的耐药性，因此，研究人员还在研究针对这些关键circRNA的治疗策略，以应对癌症治疗的失败。以下是一些基于功能获得或丧失的治疗策略：

• CircRNA-SORE：circRNA-SORE介导了索拉非尼耐药，它干扰了索拉非尼的活性。通过针对circRNA-SORE的治疗，可以恢复对索拉非尼的治疗反应。

• CircAKT3-174aa：circAKT3-174aa降低AKT-thr308磷酸化，对抗放疗抵抗。过度表达circAKT3-174aa可以恢复肿瘤细胞对放疗的敏感性。

• Circ0025202：circ0025202下调导致对激素治疗（如他莫昔芬）的耐药性。通过circ0025202的过度表达，可以增强激素治疗的疗效。

• CircRNA17：circRNA17可以下调雄激素受体剪接变体7的表达，与恩杂鲁胺的治疗耐药性相关。过度表达circRNA17可以恢复前列腺癌患者对恩杂鲁胺治疗的敏感性。

 

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参考文献：

Pisignano, Giuseppina, et al. "Going circular: history, present, and future of circRNAs in cancer." Oncogene (2023): 1-18.

Greene, John, et al. "Circular RNAs: biogenesis, function and role in human diseases." Frontiers in molecular biosciences 4 (2017): 38.

Liang Qu, Zongyi Yi, Yong Shen, et al.Circular RNA Vaccines against SARS-CoV-2 and Emerging Variants. Cell.2022.https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.03.044.