張鋒團隊最新研究：可將蛋白遞送至任何指定人類細胞，或打破基因治療困局

談起基因編輯，就不得不提及大名鼎鼎的CRISPR/Cas系統。這一技術源自于人類向細菌的學習，其大致原理為，在CRISPR RNA（crRNA）的引導下，與之結合在一處的Cas蛋白能夠找到與crRNA互補的目標DNA序列，并通過切割這段DNA，觸發DNA修復機制，實現基因編輯。

因此，若要使用CRISPR/Cas系統進行基因編輯，將Cas蛋白和crRNA導入到細胞內是必不可少的。然而，這也成為了該技術的使用瓶頸之一。

目前主流的遞送技術分為兩類，一類是利用較為安全的腺相關病毒（adeno-associated virus，AAV）作為載體，另一類是諸如脂質納米顆粒（LNP）的非病毒載體。但這兩種方式各有其局限性，前者容易激發免疫反應，帶來不良反應；后者則容易對肝臟被動靶向，不利于肝外遞送。

麻省理工學院布羅德研究所和哈佛大學的分子生物學家、CRISPR/Cas技術先驅張峰表示：“遞送是基因編輯的主要瓶頸之一，目前的遞送方法限制了大多數臨床試驗只能編輯肝臟、眼部或血細胞的基因組，腦部或腎臟疾病則因為沒有可用的遞送系統而無法得到解決。”

今年2月，張鋒教授聯合創建的Aera Therapeutics公司宣布正式成立，該公司推出了一種稱為蛋白質納米顆粒（PNP）的遞送平臺技術，獲得了近2億美元的融資。這一平臺的思路是，利用人體內天然存在逆轉錄病毒樣蛋白，自我組裝成的類似病毒衣殼的“空殼”結構，將CRISPR/Cas系統以mRNA的形式遞送到目標細胞。

3月30日，張鋒團隊又在Nature上發表重磅研究“Programmable
protein delivery with a bacterial contractile injection system”。文中介紹了一種全新的蛋白遞送系統，有望將任何蛋白精準地送到任何目標人類細胞。

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圖1 研究成果（圖源：[1]）

這一系統的靈感同樣是來自于對自然界的借鑒。

2019年，北京大學高寧團隊和中國醫學科學院病原生物學研究所金奇團隊合作，對一種名為收縮注射系統（Contractile injection systems , CIS）的精細結構進行了解析。CIS是一種大量存在于細菌和古細菌之中的類似于注射器的大分子復合物，可通過細胞膜驅動刺突，將管腔內的蛋白質載荷注入到其所識別的目標真核細胞中。

圖2 CIS概念圖（圖源：[2]）

去年，中國醫學科學院病原生物學研究所的副研究員江峰和同事報告說，可操縱昆蟲致病菌發光桿菌Photorhabdus asymbiotica的CIS系統，使之裝載他們從哺乳動物、植物和真菌中挑選的蛋白質。這一細菌通常寄生在線蟲體內，當線蟲感染昆蟲后，該細菌就可利用CIS系統將毒素注射到昆蟲細胞中，昆蟲被毒素殺死后，就可以為線蟲的生長提供營養。

看到CIS系統將特定蛋白遞送到特定細胞的治療潛力后，張鋒及其同事就如何在人類細胞上運用這一系統展開了研究。研究人員將注意力集中在CIS系統的尾部纖維區域，因為這一區域使得CIS系統能夠特異性地靶向目標細胞。利用蛋白質結構預測人工智能程序AlphaFold，研究團隊對尾部纖維進行了修改，使之能夠精準靶向人類細胞表面的不同蛋白。

圖3 對CIS系統的尾部纖維進行重編程，使之能夠識別特定人類細胞（圖源：Nature）

結果表明，在體外細胞培養實驗中，CIS系統實現的蛋白質遞送具有高度特異性。只有在正確的表位-抗體配對的情況下，才能有效遞送。而在活體小鼠實驗中，CIS系統成功完成了顱內的蛋白質遞送，且未引起任何免疫細胞的激活和炎性細胞因子的產生。

圖4 只有正確的表位-抗體配對才能有效完成遞送（圖源：[1]）

在實驗中，Cas9蛋白、堿基編輯蛋白和可用于殺死癌癥細胞的毒素均被成功遞送。研究的第一作者、劍橋麻省理工學院的分子生物學家Joseph Kreiz表示：“該系統能夠將Cas9蛋白轉運到細胞中，說明了該技術的靈活性，因為Cas9蛋白是注射器通常載荷的五倍大。”

不過，Kreitz表示，該系統還無法遞送CRISPR/Cas基因組編輯所需的mRNA，但研究團隊在接下來將會修改CIS系統的其他組件，以實現DNA或RNA的遞送。由于這一系統在自然界中廣泛存在，Kreitz還想要更深入地了解這些系統在自然界中的功能。“（它們）在整個生物圈中具有令人難以置信的多樣性，然而我們對它們的特征還知之甚少。我們相信這類系統在生物學中發揮著極其重要的作用，這有待我們的探索。”