研究发现体外合成环形RNA的免疫原性机制及其潜在应用

12月23日，Molecular Cell在线发表了中国科学院分子细胞科学卓越创新中心（生物化学与细胞生物学研究所）研究员陈玲玲研究组关于环形RNA的最新研究进展，论文题目为RNA circles with minimized immunogenicity as potent PKR inhibitors。通过对不同方式体外合成环形RNA的特性比较分析，该研究阐明了体外合成环形RNA免疫原性的问题及分子机制，并发现无免疫原性且具有双链结构的环形RNA能够高效抑制天然免疫因子PKR的激活，揭示体外合成环形RNA用于治疗PKR异常激活相关自身免疫疾病的应用潜能。该工作为进一步研究环形RNA在天然免疫中的功能及机制奠定基础，并为利用环形RNA进行炎症性自身免疫病的干预治疗提供了新途径。

大多数环形RNA来自外显子反向剪接，以共价键形成闭环结构。研究发现这类分子具有独特的生成加工过程，不同于线性RNA的折叠构象，并具有高稳定性。这些特色使得环形RNA在基因表达调控中具有重要功能，包括参与信号转导、细胞增殖、天然免疫调控等 (详见综述 Chen, Nat Rev Mol Cell Biol 2020)，并具有独特的应用潜能，如环形RNA通过双链区域能够抑制PKR的异常磷酸化 (Liu et al., Cell 2019)，可作为翻译载体用于功能性蛋白质的表达 (Wesselhoeft et al., Nat Commun 2018; Mol Cell 2019) 等。

研究体外合成环形RNA的潜在应用需关注两个重要问题，一是如何提高体外合成环形RNA的效率，二是合成的环形RNA是否具有免疫原性。一方面，有研究指出体外合成的环形RNA能够被天然免疫受体RIG-I所识别，进而引起细胞内天然免疫反应 (Chen et al., Mol Cell 2017; Mol Cell 2019)；另一方面，也有研究者认为体外合成的环形 RNA 无免疫原性 (Wesselhoeft et al., Mol Cell 2019)，并指出细胞内免疫反应是由于环形RNA中存在微量线性RNA的污染导致。为阐明上述问题，陈玲玲研究组首先比较了不同方式体外合成环形RNA的效率及免疫原性。目前已知体外合成环形RNA主要有两种途径：基于T4 RNA连接酶的催化直接分子内连接成环，以及基于I型内含子核酶进行自剪接成环。实验结果表明，T4 RNA连接酶合成的环形RNA，包括可作为核酸适配体的环形RNA和可翻译的环形RNA，均不会引起细胞内天然免疫反应，然而通过两种不同I型内含子T4 bacteriophage和Anabeana自剪接形成的环形RNA均能够引起细胞内天然免疫反应。进一步对不同环化方式合成的环形RNA进行序列和二级结构的比较分析发现，基于T4 RNA连接酶合成的环形RNA，仅引入1到3个外源核苷酸，然而两种I型内含子体外自剪接形成的环形RNA会分别引入74个或186个外源核苷酸。科研人员利用改进的circSHAPE-MaP技术 (Liu et al., Cell 2019) 进一步解析不同途径合成的环形RNA二级结构，发现这些外源序列的引入会改变目的环形RNA的折叠构象，如与环形RNA内部序列配对，或外源序列自身形成了稳定的双链结构。研究表明，I型内含子自剪接成环引入的外源序列可能是导致体外合成环形RNA引起细胞内天然免疫反应的原因。

陈玲玲研究组前期工作发现，在系统性红斑狼疮 (SLE) 病人来源的PBMC或T细胞中过表达含有16-26bp短的双链结构的内源环形RNA可抑制PKR及疾病标志基因的异常激活 (Liu et al., Cell 2019)，提示体外合成无免疫源性且含有短的双链结构的环形RNA有望成为治疗自身免疫疾病的新手段。目前已报道的抑制PKR异常磷酸化激活的小分子化合物如 2-Aminopurine (2-AP)，oxindole/imidazole derivative compound 16 (C16) 等，均存在局限性。研究发现，通过T4 RNA连接酶合成的环形RNA，不仅免疫原性低，并且保留了和体内相似的16-26bp短的双链结构。进一步实验证明，这类体外合成的环形RNA仍能够在体外及细胞内抑制PKR的激活，并且相对于小分子抑制剂具有约千倍以上更好的抑制效果。

综上，该研究为进一步应用体外合成的环形RNA奠定了基础，并为研发基于环形RNA技术的核酸适配体和基因治疗领域带来可期前景。研究工作得到中科院、科技部、国家自然科学基金委员会等的支持。

体外合成环形RNA的免疫原性机制和潜在应用

来源：中国科学院分子细胞科学卓越创新中心