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这篇综述系统性地回顾了mRNA技术的演进，从基于自然结构的优化到突破自然限制的创新性架构设计。文章阐述了通过化学修饰、结构工程等策略提升合成mRNA的稳定性、翻译效率与安全性的“规范化”路径，并重点介绍了环形、分支、自扩增、灯笼形等非规范化mRNA架构以及微RNA响应性开关，展现了将mRNA从瞬时信使转变为可编程分子系统的广阔前景，对基因表达控制与生物医学应用意义重大。
mRNA：从天然信使到可编程设计分子
信使RNA（mRNA）已从遗传信息的传递者，演变为一个用于基因表达和治疗创新的通用平台。早期工程集中在优化其天然结构组件——5′帽子、非翻译区、编码序列和poly(A)尾巴——以提升稳定性、翻译效率与安全性。这些优化促成了mRNA疫苗的成功，并开启了从基因与细胞疗法到基因组编辑等广泛的生物医学应用。
在自然映像中：规范化mRNA工程
规范的合成mRNA设计力求模仿并优化其真核生物原型。主要从以下几个关键部分入手：
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核苷化学修饰：研究发现，用修饰碱基如N1-甲基假尿苷（m1ψ）替换标准尿苷，能有效抑制外源RNA引发的先天免疫反应，降低细胞毒性并改善蛋白表达，现已成为合成mRNA设计的标准。
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5′帽子：真核mRNA的5′端具有N7-甲基鸟苷（m7G）帽子结构，它对翻译起始至关重要并防止核酸酶降解。发展出的反向帽子类似物、三核苷酸帽子类似物等策略，使得高效合成带帽RNA成为可能。这些策略不仅能提升翻译效率和稳定性，还能衍生出荧光标记、光控翻译系统等新功能。
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UTR（非翻译区）：位于编码序列两侧的5′和3′非翻译区调控mRNA的稳定性、翻译效率和亚细胞定位。除了采用高稳定性天然UTR或利用机器学习设计优化序列外，还可通过工程化UTR实现功能控制。例如，引入特定微RNA（miRNA）互补靶点可构建“miRNA响应性关闭开关”：当细胞中不存在该miRNA时，蛋白正常表达；当存在时，则会抑制蛋白表达，从而实现基于内源性miRNA活性的细胞类型特异性调控。
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编码序列：虽然编码序列受限于目标蛋白的氨基酸序列，但通过同义密码子优化可增强翻译输出和mRNA稳定性。近年来，结合预测的mRNA二级结构进行设计，进一步提升了蛋白表达水平。
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poly(A)尾巴：poly(A)尾巴通过与poly(A)结合蛋白相互作用参与翻译起始复合物的形成，并调控mRNA稳定性。通常，更长的poly(A)尾巴能提供更高的稳定性和蛋白表达水平。通过对3′端进行化学修饰，例如引入非天然核苷酸或磷硫酰修饰，可以增强合成mRNA对抗脱腺苷化酶的降解能力。
超越自然蓝图：合成mRNA的非规范化架构
近期研究已超越自然mRNA的结构限制，创造出具有新颖特性的人工架构：
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环形mRNA：通过共价连接RNA末端形成环形结构，可抵抗核酸外切酶降解，从而实现长效蛋白表达。常用策略是利用分裂的I组内含子核酶催化自剪接反应来高效环化长链RNA。由于缺少末端，环形mRNA需依赖内部核糖体进入位点进行帽子非依赖性翻译，虽然表达持续时间更长，但翻译效率通常较低。为解决其可能因稳定性增强而带来的副作用，可将miRNA响应性关闭开关整合到环形mRNA中，实现细胞特异性表达。
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分支RNA：借鉴聚合物化学中的分支结构概念，通过点击化学和酶连接法构建具有多个poly(A)尾巴的分支mRNA。这种分支架构能显著延长蛋白表达持续时间，并在体内表现出更好的稳定性。
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自扩增RNA：基于甲病毒（如委内瑞拉马脑炎病毒）系统，自扩增RNA（saRNA）能在细胞内自主复制，从而实现转基因的持续、高水平表达。它在疫苗和诱导多能干细胞（iPSC）重编程等领域展现出应用潜力。但saRNA通常分子量巨大，且常规的碱基修饰可能抑制其自我扩增能力。研究发现，用5-甲基胞苷（m5C）替代胞苷可在不抑制扩增的同时降低免疫反应。
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灯笼形RNA：通过将治疗性mRNA与两条携带互补序列的“订书钉”RNA杂交，可将其折叠成紧凑的球形纳米颗粒，称为“纳米灯笼”。这种结构提高了mRNA在血清中的稳定性，并可通过在订书钉RNA上附加靶向肽（如RGD肽）实现细胞特异性递送和摄取，展示了无需脂质纳米颗粒辅助的裸RNA递送新策略。
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poly(A)下游工程与RNA开关：在poly(A)尾巴下游附加非poly(A)的抑制性序列可以关闭蛋白表达。基于此，可设计“miRNA响应性开启开关”：当细胞内存在特定miRNA时，其介导的切割会移除下游抑制序列，从而开启蛋白表达。为提升开关性能，还发展出了混合开关和整合翻译后控制模块的分裂开关等更复杂、稳健的系统。
超越自然艺术：人造mRNA的前景
合成mRNA的应用领域正迅速扩展，涵盖传染病疫苗、癌症免疫治疗、基因与细胞治疗、基因组编辑以及再生医学。从规范化优化到非规范化架构的创新，mRNA正从一个瞬时的信使转变为一个可编程的分子系统。未来，随着化学修饰、核酶工程、RNA纳米技术以及合成、纯化和递送技术的不断进步，结合人工智能辅助设计，合成mRNA将能更精准地控制基因表达，其潜力仅受限于我们的想象力。同时，这些新兴架构也带来了合成复杂性、质量控制、规模化生产和安全性评估等新挑战，需要跨学科合作共同解决，以推动这一变革性技术从实验室走向更广泛的临床应用。
