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张锋开发的新型蛋白质递送系统,国内学者的奠基性研究系统介绍

作者:王聪来源:生物世界
2023年3月29日,CRISPR基因编辑先驱张锋教授团队在 Natrue 期刊发表了题为:Programmable protein delivery with a bacterial contractile injection system 的研究论文【1】

在这篇论文里,张锋团队通过AlphaFold辅助蛋白质设计开发了一种新型蛋白质递送系统——改造、利用独特的细菌“注射器”将蛋白质注射到人类细胞中。


该研究开发的这一新型蛋白质递送工具,可以在细胞和体内靶向递送蛋白质,并在基因编辑、癌症治疗和临床靶向递送等领域展现出广阔的应用前景,未来可能成为许多生物疗法的关键递送工具。再加上张锋的巨大影响力,该论文一经上线,就立刻引起了学术界的广泛关注。

细胞外可收缩注射系统(eCIS),广泛分布在细菌和古菌中,eCIS通过驱动一个“针头”结构穿透细胞膜,然后将携带的蛋白质注入到真核细胞中。张锋团队开发的这一新型蛋白质递送工具,正是通过对eCIS的一个亚型Photorhabdus virulence cassette(PVC)改造而来。


ECIS递送1.png


实际上,在张锋团队这篇 Nature 论文上线之前,已经有几项研究发现eCIS可以靶向小鼠细胞,提示了其具有作为蛋白质递送工具的潜力。而这些研究主要来自国内的几个研究团队。

国内学者的奠基性系列研究

2019年3月21日,北京大学生命科学学院高宁、中国医学科学院病原生物学研究所金奇江峰等人在 Cell 期刊发表了题为:Cryo-EM Structure and Assembly of an Extracellular Contractile Injection System 的研究论文【2】


该研究首次解析了细菌和古菌中广泛存在的细胞外可收缩注射系统(eCIS)的一个亚型PVC的高分辨率冷冻电镜结构,并构建了其组装模型。

更重要的是,该研究通过对PVC的结构解析,为理解广泛存在的eCIS的作用机制奠定了基础,也为在生物学研究或治疗中使用这种纳米装置作为递送载体铺平了道路。

ECIS递送2.png


2021年6月25日,金奇江峰高宁等人在 Science China Life Sciences 期刊发表了题为:Characterization of Photorhabdus Virulence Cassette as a causative agent in the emerging pathogen Photorhabdus asymbiotica 的研究论文【3】


该研究对来自非共生发光杆菌的PVC进行了研究,阐明了两个PVC效应蛋白Pdp1及Pnf的装配方式,揭示了它们通过一种类似于“豌豆-豆荚”的方式被装配进PVC的内筒空间中,进而直接转运至哺乳动物巨噬细胞中发挥毒性作用。

这项研究为PVC货物如何装载并直接递送到哺乳动物的巨噬细胞提供了直接证据,为理解和改造PVC用于蛋白质递送奠定了坚实的基础。

2022年4月29日,金奇江峰高宁等人在 Science Advances 期刊发表了题为N-terminal signal peptides facilitate the engineering of PVC complex as a potent protein delivery system 的研究论文


该研究鉴定了一类N端信号肽的功能,借助这类信号肽能将许多不同的原核和真核蛋白质加载到一种eCIS亚型PVC复合物中,并精准转运至真核细胞内。

接下来,研究团队将一种细胞致死因子TscT装载到了PVC复合物中,然后肿瘤内注射PVC+TcsT,2周后肿瘤小鼠模型产生了明显的抗肿瘤活性,这表明PVC系统能够将蛋白质药物输送到肿瘤组织中进行有效的癌症治疗。


这项研究表明,可以定制PVC系统,将其作为一种有效的蛋白质递送系统,在精准治疗及疫苗递送方面具有很大应用潜力。

论文链接
1. https://www.nature.com/articles/s41586-023-05870-7
2. https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.02.020
3. https://doi.org/10.1007/s11427-021-1955-4
2. https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm2343

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