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有一种特殊的人类遗传性疾病，它们是由单个基因突变导致的，诸如地中海贫血、亨廷顿舞蹈症（这是啥病？看这里）、白化病等，这些疾病超过5000种，影响着全世界上亿人的健康。

亨廷顿舞蹈症是由于第四染色体上的HTT基因突变导致的（图片来源：veer图库）

随着基因编辑技术（了解基因编辑看这里） 日趋成熟，这些突变基因可能被修复，目前很多针对这些单基因遗传病的基因治疗方案已在临床实验阶段或者正在开发中。但“如何将基因治疗的‘弹药’靶向递送到人体问题细胞中”，依然是一个问题。

2023年3月29日，来自麻省理工学院的张锋教授团队在Nature上报导了一种能够靶向人体细胞的可编程蛋白递送系统，这个系统有望实现把基因治疗的“弹药”精准递送到问题细胞中，达到“药到病除”的效果，给基因治疗打下了良好基础，可能在基因治疗，癌症治疗和生物防治的领域中得到应用。

现有的基因编辑技术通过在人类基因组上靶向纠正或者失活特定的问题基因来为遗传性疾病的治愈提供可能，相关的基因编辑工具大多是由能切割DNA的核酸酶或能修饰碱基的脱氨酶和将它们引导至问题基因的向导RNA所组成，而核酸酶和脱氨酶本质上其实就是蛋白质。

因此如何向人体问题细胞递送用于基因治疗的弹药，很大程度上就是如何向人体问题细胞特异性地递送特定蛋白质和特定RNA。在2021年，作为基因编辑技术建立和成熟的重要先驱和推动者，张锋教授开发出了能够向人体细胞靶向递送RNA的运载工具。现在，他们又在蛋白质递送方面取得了成功。

他们开发新的蛋白递送系统的直接灵感来源是细菌。

内共生细菌是在存在于一些生物体内，与其保持共生关系的细菌。对于内共生菌而言，向共生细胞特异性地转移一些蛋白因子，控制共生细胞的行为往往能提高它们在共生关系中的舒适度。所以它们发展出了一种胞外可收缩注射系统（extracellular contractile injection systems，以下简称eCISs）。内生菌依靠eCISs系统实现蛋白因子传递，该系统在细菌和古菌中广泛存在，能够靶向的对象涵盖分属三域的生命体。eCISs把蛋白传递到共生细胞内后，能起到调整细胞骨架、DNA切割、诱导细胞变形及宿主毒性等作用。

eCISs系统的形状看起来像噬菌体的尾部，也像一个注射器，主要包括：一个由可伸缩外鞘和刚性内管组成的套管状结构、锚定这个套管的基底、一个与基底相连的刺突蛋白，以及围绕基底可能起识别共生细胞的尾部纤维。

胞外可收缩注射系统（来源：参考文献2）

内生菌向共生细胞传递控制其行为的蛋白因子的过程和打针比较类似。整个复合体未和共生细胞结合时处于非收缩的状态，蛋白因子会被装载到刺突蛋白之上的套管内，而一旦复合体成功识别特定的共生细胞，套管内蛋白因子就会被强制注射到共生细胞中。

在人体完成基因治疗，运载工具需要承担的任务是将能执行基因治疗的生物试剂递送到人体的问题细胞中。

通常而言，理想的运载工具应该具备四个特质，第一是要能包装并保护它的货物在进入细胞前不被摧毁；第二是要能够结合预期的细胞；第三是要能够穿过目标细胞的细胞膜进入细胞内；第四是要能够将货物释放到细胞内的合适区隔之中。

运载工具四要素：A-D分别为货物打包、靶向结合、越膜和卸货（来源：参考文献3）

将eCISs系统的特征与基因治疗理想的运载工具做对比，不难看出eCISs系统在蛋白转运方面与理想运载工具存在落差，能不能直接装载基因治疗的弹药以及能不能定位到问题细胞都是未明确的问题，直接拿去用肯定是不行的。

但是两者的运输过程比较类似，如果能够将eCISs系统装载的蛋白质更换成基因治疗所需要的生物分子，并且能改变整个复合体的定位系统，使其能够选择性地靶向到包括人类细胞在内的任何细胞，那么改装版的eCISs系统就能弥补和理想运载工具的差别，并接近理想运载工具的特点。

这种想法的实现存在不确定性，但如果成功基本就标志着一种能够用于人类的新型蛋白递送系统的诞生，也能够给基因编辑相关大分子的靶向递送带来巨大的机遇。

张锋团队对来源于细菌的eCISs系统进行了一系列改装和评估。这些工作主要可以被分为四个部分。

第一部分的工作重点是验证eCISs系统装载外源蛋白的可行性。这部分工作的起点是发光杆菌毒力盒（Photorhabdus virulence cassette:PVC），PVC是一种来源于昆虫内共生菌Photorhabdus asymbiotica的可收缩注射系统。为了方便对PVC系统的改造，作者首先在大肠杆菌中对PVC系统进行了功能的重构，结果显示大肠杆菌能够被用于制造PVC复合体，并且组装好的递送系统能够成功的将内源和外源的蛋白靶向特定昆虫细胞的表面。

大肠杆菌中组装好的PVC以及结合靶细胞的PVC（来源：参考文献1）

第二部分是给PVC系统加装能够靶向人体细胞的定位系统。这个部分是改装细菌“注射器”的重中之重，因为人类遗传疾病是人类的疾病，如果PVC系统不能特异性的靶向人类的细胞，那么它对基因治疗的意义就无从谈起。

可惜目前PVC系统如何识别靶细胞以及能否识别人体细胞还不清楚。为了解决这个问题，作者首先基于先前的研究和AlphaFold的预测锁定了PVC中可能够决定结合特性的结构域。并用两个能够识别人类细胞的识别原件替换了PVC系统中的靶细胞识别结构域，同时再给这两个加装了新的定位系统的注射器中装载了能够杀死细胞的毒素并用其去杀肺腺癌细胞，之后的结果表明改装版的注射器能够很高效的杀死肺腺癌细胞。这也就同时证明作者对PVC系统中识别模块的预测是准确的，并且说明这个识别模块可替换，切换成靶向人体细胞的识别元件就能靶向人体细胞。

为了使PVC装载的蛋白更加贴近真实基因治疗中所需的蛋白质，作者还测试了用PVC装载能介导基因编辑的Cas9蛋白，能够介导碱基编辑的锌指脱氨酶和能够杀死细胞的内毒素分别去处理人类的胚胎肾细胞和白血病细胞，结果发现在相应的细胞中都发生了预期中的改变或被杀死的结果。

至此作者团队对PVC团队的改装基本完成，而改装版后的PVC系统已初具理想运载载体的雏形。

PVC系统最终理想的应用场景是患有遗传性疾病的人体，对于一些展现出极大应用潜力的新技术，要想推进其在人体中的应用，则必须在逐步接近真实应用场景的条件下去测试新技术的表现。

第三部分，他们首先在实验条件下排查了PVC系统在向问题细胞运送目标蛋白时误伤体内的正常细胞的可能性。为此，他们分别向人体肾细胞表面分别安装一系列不同的抗体，向PVC系统定位区域安装与抗体一一对应的表位标签，并让其两两结合，结果显示只有抗体与表位标签相匹配，PVC系统才能将运载的蛋白注入细胞，否则就不注入。这样的结果说明PVC系统初步通过对其准头的风险排查。

准头测试系统示意图（来源：参考文献1）

真实应用场景往往比科学研究使用的条件更复杂，越能在复杂条件下经受住考验的技术，最终被应用的可能性才会更高。顺应这种逻辑，该项工作的第四部分，直接在活体的小鼠体内测试了PVC系统的靶向运输能力。 

这部分工作的起始，作者团队又一次使用AlphaFold指导的改造策略筛选到两个能帮助PVC系统靶向到小鼠细胞的定位元件。在将老鼠细胞定位元件加装到PVC系统中后，作者直接将新的PVC系统通过颅内立体定位注射的方式注射到老鼠的海马体，并最终观察到了PVC系统所装载的蛋白在海马体区域细胞中的奏效。

PVC颅内注射示意图以及改装PVC成功在小鼠海马体区域细胞产生信号（来源：参考文献1）

此外令人欣喜的时，将PVC系统注射到小鼠海马体区域时未对免疫细胞有明显的活化，也没有产生炎症因子、体重减轻、或细胞毒性的负面效应，并且注入的PVC系统系统在几天后就会消失，不会继续存在于体内。这证明了PVC系统介导的蛋白传递至少不是免疫原性或者有毒的过程。

面对如何将能够治愈疾病的蛋白质提送到问题细胞这一重要问题，这项工作应该被看作一个基础研究为解决问题提供启发，而工程化改造的工作将启发变成解决方案的典范。

那么，本项成果能否为基因治疗架起通往人体问题细胞的桥梁？

这是一个很复杂的问题，首先这个递送系统并未直接在人体的问题细胞中测试其递送效果，所以目前还无法对这个问题给出肯定的回答。但根据这个递送系统已经展现出来的潜力，我们完全有理由对其未来在人类遗传疾病的真实场景下发挥作用寄予厚望，而未来需要做的则是对其装载能力及定位系统的进一步重编程进行更加细致的优化，并将进一步升级的递送系统置于更加趋近或者直接就在患有遗传性疾病的个体中进行测试。

事实上这个蛋白递送系统未来的应用场景绝不会仅限于基因治疗，因为它既可以装拯救问题细胞的“解药”，也可以装杀死细胞的“毒药”，而可编程的定位系统赋予它的是靶向任何细胞的可能性。比如，当装着毒药的载体靶向注射到一些农业害虫的细胞中去的话，那生物防控就会变成这种运载工具的用武之地。

一个脑洞：它还能在哪些领域用上？可以在评论区分享你的畅想。

本期封面：

作者：李辉 

作者单位：格罗宁根大学