如果能够将特定的蛋白质输送到特定的细胞类型中，将为生命科学研究以及疾病治疗提供巨大的潜力。然而，试图靶向感兴趣的细胞类型和能够将所选择的蛋白质跨细胞膜运输所带来的各种挑战使得此类工具的开发成为一项艰巨的任务。
图片来源：张锋教授实验室主页
在自然界中，一些内共生细菌已经演化出了复杂的递送系统，可以与寄主细胞互动。例如，细胞外收缩注射系统 (eCISs) 是一种类似注射器的大分子复合物，能够通过驱动一个刺突穿过细胞膜，将蛋白质注射到细胞里。最近，研究发现 eCISs 可以靶向小鼠细胞，提高了这一系统可用于治疗性蛋白质传递的可能性。然而，eCISs 是否能在人类细胞中发挥作用，以及这些系统用来识别目标细胞的机制尚不清楚。
今日，博德研究所/哈佛医学院/麻省理工学院的张锋团队在最新一期的 Nature 杂志上发表了相关研究 Programmable protein delivery with a bacterial contractile injection system。该研究报告开发了一种可编程的蛋白质递送系统。他们利用天然细菌系统开发了一种新的蛋白质递送装置，利用细菌「注射器」将蛋白质注射到人类细胞和动物中。
对这一系统进行调整，还可以靶向特定细胞，并递送定制的蛋白质货物。作者认为，该系统有可能作为未来人类基因疗法和癌症疗法的安全有效的递送工具。
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研究内容
共生细菌使用大约 100 纳米长的注射器状机器将蛋白质注射到宿主细胞中，以帮助调整周围环境的生物学并提高其存活率。这些机器称为细胞外收缩注射系统（eCIS），由鞘内的刚性管组成，该管收缩，通过细胞膜驱动管末端的尖峰，这使得管内的蛋白质可以进入细胞。在 eCIS 的一端外侧是尾纤维，它们识别细胞表面的特定受体并锁定。
经过纯化的发光杆菌「注射器」。Credit by Joseph Kreitz, Broad Institute of MIT and Harvard, McGovern Institute for Brain Research at MIT
先前的研究表明，eCIS 可以自然地靶向昆虫和小鼠细胞，该研究团队认为有可能通过重新设计尾部纤维以结合不同的受体来修饰它们以将蛋白质递送到人体细胞。
研究人员使用 AlphaFold 预测蛋白质的结构，并重新设计了由细菌 Photorhabdus asymbiotica 产生的 eCIS 的尾部纤维，以靶向人类细胞。研究小组制造了靶向表达 EGFR 的癌细胞的 eCIS，并使用 A549 人肺腺癌细胞作为模型细胞系，用以测试改造后的 eCIS 是否可以靶向人类细胞。试验结果表明，。
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研究人员还调整了这一系统，使用 eCIS 将蛋白质输送到活小鼠的大脑，并且发现它不会引起可检测的免疫反应，这表明该系统可用于在活体生物中引入蛋白质，提示 eCIS 有朝一日或许可以用于安全地向人类提供基因疗法。
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最后，他们还证实了这一系统可以装载不同的蛋白质，包括 Cas9、碱基编辑器蛋白和可以杀死癌细胞的毒素，并可以将它们功能性地输送到人类细胞中。
该研究的第一作者 Joseph Kreitz 说，「在未来，研究人员可以设计 eCIS 系统的其他组件来调整其他特性，或输送其他货物，如 DNA 或 RNA。」并且表示他还想更好地了解这些系统在自然界中的功能。Kreitz 说。「我们相信这种类型的系统在生物学中起着非常重要的作用，但尚未被探索。」
总结
综上，该研究利用天然细菌系统开发了一种适用于人类细胞和动物的新蛋白质递送方法。研究团队利用了一种来源于细菌的微小「注射器」，并借助人工智能工具 AlphaFold 通过氨基酸序列预测蛋白质结构，将其改造为能够靶向结合人类细胞的分子注射装置。
这一系统为将各种蛋白质（包括用于基因编辑的蛋白质）递送到不同类型的细胞提供了一种安全有效的方式，有可能成为未来人类基因疗法和癌症疗法的有效工具。
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张锋教授表示：「治疗性分子的递送是医学的一个主要瓶颈，我们需要有众多选择来让这些强大的新疗法进入体内正确的细胞当中。通过学习大自然如何运输蛋白质，我们开发了一个新的平台来帮助解决这一差距。」
参考资料：
1.Kreitz, J., Friedrich, M.J., Guru, A. et al. Programmable protein delivery with a bacterial contractile injection system. Nature (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-05870-7
2.https://www.nature.com/articles/d41586-023-00847-y
