【Science】颠覆！张锋团队突破基因疗法，利用人类蛋白质向细胞递送分子药物

完全组装好的SEND包从细胞中释放出来，用于基因治疗

图片来源：DOI: 10.1126/science.abg6155，麦戈文研究所（McGovern Institute）

在几百万年的进化过程中，逆转录病毒和逆转录元件已将自己的遗传密码插入哺乳动物基因组里。尽管有许多整合的病毒样序列对基因组完整性构成威胁（即病变），但有些却已能被哺乳动物细胞重组，用于发育（进化）。这些天然改造的病毒或蛋白质，是突破生物技术的新方向，例如CRISPR-Cas9基因编辑系统，就是来源于人类对此天然工具的改造。

近期，科学家们发现了其中一种天然蛋白，PEG10，能直接与细胞外病毒样衣壳结合并分泌其自身的mRNA，然后将这些病毒样颗粒用融合剂“假扮”为病毒样，将自身编码的mRNA货物运输给哺乳动物细胞。而这可为基于RNA的基因治疗提供内源性递送载体。

来自麻省理工学院、麻省理工学院麦戈文脑研究所、霍华德休斯医学研究所以及麻省理工学院和哈佛大学布罗德研究所（MIT, the McGovern Institute for Brain Research at MIT, the Howard Hughes Medical Institute, and the Broad Institute of MIT and Harvard）的研究人员开发了向细胞递送分子疗法的一种新方法。这个名为SEND的系统可以通过编程来包装和运输不同的 RNA。系统全名为“选择性内源性衣壳化的细胞递送”（Selective Endogenous eNcapsulation for cellular Delivery），SEND就是利用这个人体内形成病毒样颗粒并结合RNA的天然蛋白质，PEG10，进行递送，并引起更少的免疫反应。

这个新的递送平台在细胞模型中是有效的，并随着进一步的开发，它可以为，包括用于基因编辑和基因替换的，广泛的分子药物，开辟一类新的递送方法。现有的递送工具可能效率低下并且会随机整合到细胞基因组中，且有些可能会激发不必要的免疫反应。而SEND有望克服这些限制，并为分子医学的应用开辟新机会。

该研究团队的研究成果于昨日，2021年8月20日，发表在《Science》期刊上，研究论文名为“Mammalian retrovirus-like protein PEG10 packages its own mRNA and can be pseudotyped for mRNA delivery“。

论文官网截图

“生物医学界一直在努力开发有力的分子疗法，但要以精确有效的方式将它们输送给细胞是充满挑战的，”该研究的资深作者、博德研究所（Broad Institute）核心成员、麦戈文研究所（McGovern Institute）研究员、CRISPR的先驱张锋教授以及麻省理工学院神经科学的James和Patricia Poitras教授都说道。“SEND有潜力克服这些挑战。”张锋也是霍华德休斯医学研究所（Howard Hughes Medical Institute）的研究员和麻省理工学院脑与认知科学和生物工程系（MIT's Departments of Brain and Cognitive Sciences and Biological Engineering）的教授。

研究方法

在研究论文中，该团队描述了通过在RNA分子两端加上编码PEG10的mRNA“信号”序列（即被其蛋白识别的“信号”），这些新的RNA就能被PEG10识别结合、包裹成一个球形保护胶囊再递送给细胞。研究人员已利用SEND将CRISPR-Cas9基因编辑系统输送给小鼠和人类细胞以编辑目标基因。

分子  来源：pixabay

源于人体内部的灵感和探索

在数百万年前PEG10蛋白已天然存于人体里，通过将自身插入人类祖先的基因组，其源自“逆转录转座子”：一种类似病毒的遗传元件。随着时间的推移，PEG10被身体吸收，成为对生命很重要的蛋白质库的一部分。

四年前，研究人员发现了另一种逆转录转座子衍生蛋白：ARC。它能形成病毒样结构，并能在细胞间运输RNA。尽管这个发现表明有可能将逆转录转座子蛋白设计为递送平台，来包装和递送特定的RNA货物，但科学家们还尚未获得成功。

张锋团队开始转向研究这些可能作为运输工具的蛋白质，希望开拓这一可能。他们系统地搜索了人类基因组中的蛋白质，寻找可以形成保护胶囊的蛋白质。在他们的初步分析中，该团队发现了48个可能具有这种能力的人类基因编码蛋白质。其中，19种候选蛋白质同时存在于小鼠和人类。在该团队研究的细胞系中，PEG10的高效穿梭脱颖而出。与任何其他测试的蛋白质相比，细胞释放出了更多的PEG10颗粒。而PEG10颗粒也大多自身就含有mRNA，表明PEG10 就有可能能够包装特定的RNA分子。

开发模块化系统

具体开发SEND技术过程中，该团队首先在PEG10的mRNA中确定了分子序列或“信号”，通过识别这些“信号”，PEG10对这些mRNA进行包装。然后再使用这些信号来设计PEG10和其他 RNA货物，使PEG10可以选择性地包装这些RNA。

接着，该团队在PEG10胶囊上额外增加了称为“融合素（fusogen）”的蛋白质，这些蛋白质存在于细胞表面并能帮助它们融合在一起。通过在PEG10胶囊上加入“融合素”，研究人员应该能够将胶囊靶向特定种类的细胞、组织或器官。为了实现这一目标，该团队首先使用了两种不同的融合剂，其中一种就是在人体中发现的“融合素”，以实现SEND递送货物的过程。

“通过混合和匹配SEND系统中的不同组件，我们相信它将为针对不同疾病的疗法开发提供一个模块化平台，”张锋说。

推进基因治疗

首先，SEND由体内自然产生的蛋白质组成，这意味着它可能不会触发免疫反应。研究人员表示，如果这在进一步的研究中得到证实，SEND可以以最小的副作用反复提供基因治疗。

“SEND技术将补充病毒递送载体和脂质纳米颗粒，来进一步扩展向细胞递送基因编辑疗法的工具箱，”Lash说。该团队将在动物身上测试SEND，并进一步设计该系统以将货物输送到各组织和细胞。他们还将继续探索这些系统在人体中的自然多样性，以确定可以添加到SEND平台的其他组件。这意味着，该系统还可使研究人员根据不同的疾病而选择相应的RNA进行基因疗法。

“我们很兴奋能继续推进这种方法，”张说。 “认识到我们可以使用PEG10以及其他蛋白质来设计人体中的递送途径，来包装和输送新的RNA和其他潜在疗法。这是一个非常强大的概念。”

第一作者、张锋实验室的博士后研究员Michael Segel和第二作者、该小组的研究生Blake Lash表示PEG10在其运输RNA的能力上，并不是独一无二的。 “这就是令人兴奋的地方，”Segel说。“这项研究表明，人体中可能还有其他RNA递送系统也可以用于治疗。这也提出了十分有趣的问题，即这些蛋白质的自然角色到底可能是什么。”

论文：

Segel M, Lash B, et al. Mammalian retrovirus-like protein PEG10 packages its own mRNA and can be pseudotyped for intercellular mRNA delivery. Science，20 Aug 2021, Vol. 373, Issue 6557, pp. 882-889,DOI: 10.1126/science.abg6155Science.

论文链接：

https://science.sciencemag.org/content/373/6557/882

原文链接（附有说明视频）：

https://medicalxpress.com/news/2021-08-scientists-harness-human-protein-molecular.html

注：本文旨在介绍医学研究进展，不能作为治疗方案参考。如需获得健康指导，请至正规医院就诊。