分享一篇发表在Nature Biotechnology上的文章，文章的题目为“Internal cap-initiated translation for efficient protein production from circular mRNA”，通讯作者为来自日本名古屋大学化学系的Hiroshi Abe和Naoko Abe，Abe课题组的研究内容包括：mRNA药物的开发、药物递送系统和合成生物学。

mRNA技术在疫苗和治疗领域已经得到广泛运用。传统的线性mRNA在细胞内稳定性较差，且容易引发免疫反应。环状mRNA由于其具有闭环结构，具有更高的稳定性和持久性，能够有效避免线性mRNA的免疫刺激问题。然而环状mRNA的翻译效率较低，主要依赖于内部核糖体进入位点（IRES）来启动翻译。本文提出了两种新的分子设计，通过内部帽启动翻译（ICIT）机制，显著提高了环状mRNA的翻译效率。第一种设计是通过共价连接的方式在环状mRNA上引入m7G帽结构（cap-circ mRNA），第二种设计则是通过非共价杂交的方式将m7G帽与环状mRNA结合。这两种设计不仅提高了翻译效率，还降低了免疫刺激效应，拓宽了环状mRNA在治疗中的应用前景。

研究人员首先设计了一种共价连接的cap-circ mRNA，通过在环状mRNA的分支链上引入m7G帽结构，模拟了线性mRNA的5'帽结构。环状mRNA通过连接两个RNA片段合成：一个片段是化学合成的54-nt寡核糖核苷酸，其分支链上含有帽结构；另一个片段是通过体外转录（IVT）合成的550-nt RNA，包含NanoLuc荧光素酶（Nluc）的编码序列（CDS）。体外实验表明，这种设计能够显著提高环状mRNA的翻译效率。与未加帽的环状mRNA相比，cap-circ mRNA的蛋白质表达水平提高了2-3个数量级。

在体内实验中，cap-circ mRNA表现出比线性mRNA更持久的蛋白质表达。特别是在小鼠模型中，cap-circ mRNA在皮下注射后，蛋白质表达水平显著高于线性mRNA，并且持续时间更长。此外，结合m1Ψ修饰后，cap-circ mRNA的免疫刺激效应显著降低，进一步增强了其在治疗中的应用潜力。

为了进一步理解cap-circ mRNA的翻译机制，研究人员进行了详细的分子生物学实验。通过使用eIF4A抑制剂hippuristanol，研究人员证实了cap-circ mRNA的翻译依赖于经典的帽依赖性翻译机制。此外，通过siRNA介导的eIF4E敲低实验，研究人员发现cap-circ mRNA的翻译对eIF4E具有显著的依赖性，而IRES介导的翻译则不受eIF4E的影响。这些结果表明，cap-circ mRNA的翻译机制与线性mRNA的帽依赖性翻译机制类似，依赖于eIF4E和eIF4A等经典翻译起始因子。

第二种设计是通过非共价的方式，将含有m7G帽的寡核苷酸与环状mRNA结合。这种设计通过杂交的方式，将m7G帽引入环状mRNA的特定位置，从而启动翻译。实验表明，这种非共价杂交的设计能够将环状mRNA的翻译效率提高50倍以上。

此外，研究人员还发现，这种非共价杂交的设计可以用于检测细胞内的长链非编码RNA（lncRNA）。通过设计互补的环状mRNA，研究人员能够利用lncRNA的帽结构启动翻译，从而实现lncRNA的特异性检测。这一发现为环状mRNA在诊断和治疗中的应用提供了新的思路。

本文作者：CHY

责任编辑：TZS

DOI：10.1038/s41587-025-02561-8

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41587-025-02561-8