2023年3月30日，美国霍华德休斯医学研究院(HHMI)、麻省理工学院Broad研究所的张锋实验室在Nature杂志上发表了题为Programmable protein delivery with abacterial contractile injection system的论文。文章对细菌来源的胞外可收缩注射系统（eCISs）中的发光杆菌毒力基因簇（PVC）进行了系统性的研究和改造。改造后的PVCs可实现多种功能性蛋白如Cas9、碱基编辑器及毒素蛋白向人源细胞及动物体内的高效特异性递送，为蛋白递送技术的开发与优化提供了新思路，也为基因治疗、癌症治疗及生物防治提供了技术保障。已知发光杆菌毒力基因簇（PVC）编码的PVCs颗粒是发光杆菌Photorhabdus来源的胞外可收缩注射系统（eCISs）。PVC基因簇长度约20kb，共包含16种核心基因pvc1-16，它们编码的蛋白是功能性PVCs颗粒组装的关键因子。组装过程中，效应蛋白Pdp1和Pdf在N端信号肽的引导下会被导入至PVCs颗粒中并最终递送至目标细胞。研究者首先在大肠杆菌中重建了PVCs表达体系，这为后续的系统性改造奠定了基础。随后的研究发现，N端信号肽可将多种目标蛋白如GFP、Cre、锌指蛋白酶以及Cas9等导入至 PVCs颗粒并成功递送至昆虫细胞Sf9中，这表明PVCs颗粒是极具潜力的蛋白递送工具。目前PVCs颗粒结合目标细胞的机制仍不清楚，但可收缩尾噬菌体（与PVCs颗粒结构类似）的相关研究提示，pvc13基因编码的尾丝蛋白Pvc13是关键。随后的研究也证实，对Pvc13进行蛋白工程改造可以显著改变PVCs颗粒对细胞的亲嗜性。以EGFR高表达且对腺病毒Ad5易感的人肺腺癌细胞系A549为例：融合有腺病毒Ad5-knob结构域或DARPin E01结构域（可特异性识别EGFR受体）的突变体Pvc13-Ad5-knob和Pvc13-E01-DARPin能增强PVCs对A549细胞的结合能力，最终实现目标蛋白的定向递送。研究还发现，以Pvc13-Ad5-knob突变体为基础构建的PVCs颗粒可将Cas9、锌指蛋白酶ZFD等基因编辑工具递送至HEK293FT细胞中并实现目标位点的基因编辑。研究还指出，根据细胞表面受体的表达特异性指导Pvc13改造，可以构建出具有细胞选择性的PVCs颗粒。以CD4高表达而CD11b不表达的急性T细胞白血病细胞系Jurkat细胞为例， Pvc13-CD4-DARPin（特异性识别CD4）而非Pvc13-CD11b-DARPin突变体（特异性识别CD11b）为基础构建的PVCs颗粒可高效杀伤 Jurkat细胞。此外，Pvc13-E01-DARPin突变体（特异性识别EGFR受体）为基础构建的PVCs颗粒可特异性靶向EGFR阳性细胞系如A549和A431，但缺乏靶向EGFR阴性细胞系如Jurkat和3T3的能力。研究者最后还证实，对Pvc13尾丝蛋白进行蛋白工程改造还可以构建出用于小鼠体内定向递送的PVCs颗粒，这证实了PVCs颗粒用于在体蛋白定向递送的可行性。总体而言，本研究证实，PVCs颗粒的细胞特异性递送主要取决于Pvc13尾丝蛋白与目标受体的相互作用。在此基础上，研究者可对PVCs颗粒进行多样化的蛋白工程改造，最终实现蛋白在细胞和动物水平的定向递送。虽然PVCs蛋白定向递送系统依然存在多种不足，但全新的蛋白定向递送系统为疾病靶向治疗提供了全新的解决方案。https://doi.org/10.1038/s41586-023-05870-71. van Haasteren, J., Li, J., Scheideler, O.J. et al. The delivery challenge: fulfilling the promise of therapeutic genome editing. Nat Biotechnol 38, 845–855 (2020).
2. Banskota, S. et al. Engineered virus-like particles for efficient in vivo delivery of therapeutic proteins. Cell. 185, 250–265 (2022).
3. Jiang, F. et al. N-terminal signal peptides facilitate the engineering of PVC complex as a potent protein delivery system. Sci. Adv. 8, eabm2343 (2022).
【非原创文章】本文著作权归文章作者所有，欢迎个人转发分享，未经作者的允许禁止转载，作者拥有所有法定权利，违者必究。