改写未来药物模式?环状RNA“牛”在哪?

       9月13日,美国环状RNA技术公司Laronde获得4.4亿美元B轮融资,成功跃居2021年全球RNA疗法投资领域第2名。“Laronde”在法语中的意思是“圆形”,而这家公司的核心技术也正是基于这个“圆形”展开。这个圆指代的便是环状RNA,也是Laronde改写未来药物模式的技术密码所在。本期小2说和您一起走近神秘的环状RNA,去探究火热的RNA如何开发新产业。


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环状RNA逆袭之路:从默默无闻到一鸣惊人  


       核糖核酸(RNA)和脱氧核糖核酸(DNA)一样能够承载生命信息,相比于像书本一样稳定的DNA,RNA在生命中更像是便利贴:它轻便、高效但又不太稳定,而且容易被降解。RNA能够传递遗传信息,参与蛋白合成,催化生化反应,调节控制基因表达。一般情况下,DNA只存在于细胞核内,就像是大门不出二门不迈的闺中小姐,而RNA就像是小姐的贴身丫鬟,能够带着DNA的购物清单四处奔波采买。


       通常情况下DNA的购物欲望极强,并且前往商店的路途有些遥远,这就需要多种RNA共同努力,其中信使RNA(mRNA)就是负责传递信息的,它们将信息传递给商店店员核糖体,核糖体一看DNA要的是一款“高定”产品,于是按照DNA购物清单上的要求选取由tRNA 包装的丝绸(氨基酸)裁剪出衣服(肽链)。核糖体则按照DNA的要求选取合适由tRNA盛装的氨基酸做出肽链,这个过程被称为翻译。如果需要再精美一点,衣服就会被送往内质网添加小装饰。 


       在这一系列的过程中,最为重要的便是mRNA手中的购物清单,也正是基于这一点目前RNA疗法多作用于mRNA,通过沉默或激活靶基因的表达实现治疗的目的。然而mRNA携带的购物清单实在是太长了,它们在遇到核酸外切酶时会将部分清单剪切下了, mRNA不稳定的特性使得它发挥作用的时间很短。


       那么是否有一种稳定的RNA准确遗传生命信息呢?随着研究的深入,越来越多的RNA被发现,包括miRNA、snRNA、siRNA、lncRNA等,但它们无一例外都是线性RNA,无法轻易逃过被剪切的命运。如今,人们发现了一种环状RNA(circRNA),与一般带着长购物清单的mRNA不同。它会将购物单攥在手中揉成团状,避免核酸外切酶的剪切。这种 RNA 相当于线性 RNA 分子中的3’和 5’端被连接形成了闭合环状结构。


       早在1976 年,人类便发现了环状RNA分子的存在,当时科学家认为环状 RNA只不过是 mRNA 剪切过程中的副产物,没有特定的功能。直到2013年两篇Nature文章的出世,文章指出环状RNA是一类具有调节作用的动物RNA分子,这彻底颠覆了我们对RNA的传统认知,同时也迅速引爆了整个生物医学界! 


环状RNA或将改写药物新模式  


       与线性mRNA相比,环状RNA技术相当于mRNA2.0版,在生产、递送和治疗效果方面更具有优势。环状RNA与线状RNA的一个重要区别是其稳定性。环状RNA的结构让它们能够避免被先天免疫系统和核酸外切酶识别,与线状mRNA相比,具有更高的稳定性。


       另外,环状RNA由于不需要添加5’的帽子(cap)和3’端的多聚腺苷酸尾(poly-A tail),在生产过程上可能并不比合成线性mRNA更为复杂。据药明康德报道,环状RNA还具有以下潜在优势:环状RNA与线状RNA相比,折叠产生的构象更为“小巧”,使用同样的脂质纳米颗粒可以装载更多的环状RNA,提高RNA疗法的递送效率。


       此外,环状RNA(circRNA)与miRNA和lncRNA的功能较为相似,可以广泛参与到细胞反应中,在医药领域的研究价值高。在非编码调控RNA门派中,大师兄miRNA与小师弟lncRNA都爱上了小师妹mRNA。于是他们展开竞争追求mRNA, miRNA可以通过应答元件(MRE)与mRNA结合,这会抑制mRNA的翻译功能,而lncRNA也通过MRE与mRNA结合,与miRNA截然相反的是,这会调高mRNA的翻译功能。circRNA则更看好lncRNA,帮助减少lncRNA的竞争者miRNA。


       circRNA也含有大量的miRNA结合位点,具有miRNA海绵作用,进而间接调控miRNA下游靶基因的表达。例如第一个被揭示具有调控功能的环状RNA是ciRS7,它作为miR7的海绵,含有miR7的470个保守结合位点。ciRS7在人体的许多组织中稳定表达,通过抑制miR7活性来增加miR7靶基因的表达水平。而miR7直接靶向几种致癌基因,涉及许多不同的人类癌症。


       总的来看,环状RNA长效稳定可重复给药,并且可翻译更大蛋白质,更具产业化潜力。中科院计算生物学重点实验室 RNA 系统生物学课题组组长、博士生导师王泽峰如此评价环状RNA:“mRNA 当年夸下的海口,环状 RNA 或许都能实现。只要 mRNA 可以干的事情,环状 RNA 都可以干,但是环状RNA 又能干一些 mRNA 干不了的事情。”


       根据新思界产业研究中心发布的《2021年环状RNA(circRNA)行业发展现状及投资策略建议报告》显示,circRNAs参与到所有的细胞功能中,可以与miRNA作用,因此也可以作用于circRNA相关疾病,可用于治疗帕金森症、阿尔茨海默病、脑部发育疾病、感染疾病、动脉粥样硬化血管疾病、癌症、神经紊乱等疾病。且circRNAs在直肠癌和胰腺管恶性肿瘤中异常表达,因此可作为该类型疾病的诊断方式。circRNA参与到几乎所有细胞功能中,在各项疾病诊断和治疗中起到重要作用,行业发展前景较好。


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图片来源:医药魔方


       如今,瞄准环状RNA这一赛道的公司已成崛起之势。2021年以来,环状RNA领域已获超5亿美元融资,在2021年上半年共有3笔投融资,获得融资的公司有Orna Therapeutics、Laronde和环码生物。Laronde更是立下在今后10年里推出100款新一代RNA疗法的豪言壮语。


环状RNA三大产业化待解难题 


       当然,环状RNA疗法的开发目前还处在萌芽期,仍有多方面的挑战需要克服。环码生物联合创始人杨赟博士曾表示,当下环状RNA产业化最主要的三大难题:一是环状RNA的设计优化;二是环状RNA的CMC工艺开发;三是新递送技术的发展。


       首先,环状RNA的翻译不同于mRNA,因为环状RNA的翻译依赖于特定的序列元件。目前国内外对环状RNA翻译机理的研究还非常缺乏,虽然很多机构对环状RNA翻译机理进行了多年研究,但其中许多机制依然存在未解之谜。进一步解析这些机理将有助于更好地设计环状RNA并使其发挥出更好地疗效。其次,虽然有几种不同的方式可以制备环状RNA,但现阶段国内外都没有成熟的工艺和设施用以大规模环状RNA的生产,这限制了环状RNA的药物研发。最后,现有的递送技术并不能满足环状RNA药物开发的需求,主流的LNP技术虽然已经证明安全有效,但环状RNA药物的应用范围仍被限制。环状RNA药物开发依赖于新递送技术的建立。


       在产业转化上,精准快速的环状 RNA 制备仍然是技术难题。吉赛生物的 CEO 刘明也表示:“环状 RNA 制备的主流技术主要是体外转录后自剪切形成环状 RNA。此方法制备的环化 RNA 也会参入无关序列,影响环状 RNA 天然结构和独特功能;另外使用连接酶进行 RNA 的环化连接,会产生相当多的聚合副产物,实际合成以及后续的产物纯化回收过程较复杂,导致制备效率低,不利于产业化。另外,规模化量产也是产业化的难题之一。”


       如今基于RNA技术的疗法如雨后春笋一样涌现。相比于传统线性RNA药物,环状RNA疗法在给药后维持的时间更长,具有更好的特异性与稳定性,更重要的是环状RNA作为一种全新的创新药,标志着一场新的制药革命的来临。我们可以预见在不久的将来,RNA疗法就会从一个陌生的名词变成一种常见的治疗方案。


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