Nature：基因编辑大牛张锋通过改造发光杆菌的eCIS系统，开发出将蛋白安全高效递送到人类细胞和活体动物中的新方法

在一项新的研究中，来自美国麻省理工学院和布罗德研究所的研究人员利用一种天然的细菌系统开发了一种新的在人类细胞和动物中发挥作用的蛋白递送方法。这种方法经编程后可将多种蛋白---包括用于基因编辑的蛋白---递送到不同的细胞类型中。该系统有可能成为一种安全和高效的基因疗法和癌症疗法递送方式。相关研究结果于2023年3月29日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“Programmable protein delivery with a bacterial contractile injection system”。

在布罗德研究所核心研究所成员和麻省理工学院麦戈文脑研究所研究员Feng Zhang的领导下，该团队利用了一种由细菌产生的微小注射器状注射结构，该结构自然地与昆虫细胞结合并将蛋白有效载荷注入其中。他们使用人工智能工具AlphaFold来设计这些注射器结构，向人类细胞和活体小鼠的细胞递送一系列有用的蛋白。

论文第一作者、Zhang实验室研究生Joseph Kreitz说，“这是一个非常漂亮的例子，说明蛋白工程可以改变一种自然系统的生物活性。我认为它证实了蛋白工程是生物工程和开发新治疗系统的一种有用工具。”

Zhang补充说，“治疗分子的递送是医学的一个主要瓶颈，我们将需要一个深层次的选择平台，以使这些强大的新疗法进入体内的正确细胞中。通过学习自然界如何运输蛋白，我们能够开发一种新的平台，帮助解决这一差距。”

通过收缩进行注射

共生细菌利用大约100纳米长的类似注射器的分子机器将蛋白注入宿主细胞，以帮助调整它们周围的生物环境，并提高它们的生存能力。这些分子机器被称为细胞外收缩注射系统（extracellular contractile injection system, eCIS），由一个会收缩的鞘内的刚性管组成，驱动该刚性管末端的一个尖头穿过细胞膜。这迫使该刚性管内的蛋白货物进入宿主细胞。

在eCIS一端的外侧是尾部纤维，这些尾部纤维能识别细胞表面的特定受体并结合在一起。以前的研究已表明eCIS可以天然地靶向昆虫细胞和小鼠细胞，但是Kreitz认为，通过重新设计这些尾部纤维，使它们与不同的受体结合，也许可以将蛋白递送到人类细胞中。

这些作者利用根据氨基酸序列预测蛋白结构的AlphaFold，重新设计了由发光杆菌（Photorhabdus）产生的eCIS的尾部纤维，以便与人类细胞结合。通过重新设计这种复合物的另一部分，他们诱使eCIS递送他们选择的蛋白，在某些情况下，递送效率非常高。

PVC经重编程后可将定制蛋白递送到真核细胞中。图片来自Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-05870-7。

这些作者制作了靶向表达EGF受体的癌细胞的eCIS，并显示它们几乎100%地杀死了这些细胞，但并不影响没有这种受体的细胞。尽管效率部分上取决于这种系统靶向的受体，但Kreitz说，这些发现展示了该系统在深思熟虑的工程设计下的前景。

这些作者还利用eCIS向活体小鼠的大脑递送蛋白，在那里它没有引起可察觉的免疫反应，这表明eCIS有朝一日可能用来将基因疗法安全地递送到人体中。

包装蛋白

Kreitz说，eCIS系统用途广泛，而且他们已经用它来递送一系列蛋白货物，包括碱基编辑器蛋白（可对DNA进行单碱基改变）、对癌细胞有毒的蛋白和Cas9，即一种用于许多基因编辑系统的大型DNA切割酶。

Kreitz说，在未来，科学家们可以设计eCIS系统的其他组分，以调整其他属性，或递送其他货物，如DNA或RNA。他还想更好地了解这些系统在自然界中的功能。

Kreitz说，“我们和其他人已发现这种类型的系统在整个生物圈中具有难以置信的多样性，但它们并未得到良好的表征。我们相信这种类型的系统在生物学中发挥着真正重要的作用，这些作用还有待探索。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Joseph Kreitz et al. Programmable protein delivery with a bacterial contractile injection system. Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-05870-7.