张锋团队最新研究：可将蛋白递送至任何指定人类细胞，或打破基因治疗困局

谈起基因编辑，就不得不提及大名鼎鼎的CRISPR/Cas系统。这一技术源自于人类向细菌的学习，其大致原理为，在CRISPR RNA（crRNA）的引导下，与之结合在一处的Cas蛋白能够找到与crRNA互补的目标DNA序列，并通过切割这段DNA，触发DNA修复机制，实现基因编辑。

因此，若要使用CRISPR/Cas系统进行基因编辑，将Cas蛋白和crRNA导入到细胞内是必不可少的。然而，这也成为了该技术的使用瓶颈之一。

目前主流的递送技术分为两类，一类是利用较为安全的腺相关病毒（adeno-associated virus，AAV）作为载体，另一类是诸如脂质纳米颗粒（LNP）的非病毒载体。但这两种方式各有其局限性，前者容易激发免疫反应，带来不良反应；后者则容易对肝脏被动靶向，不利于肝外递送。

麻省理工学院布罗德研究所和哈佛大学的分子生物学家、CRISPR/Cas技术先驱张峰表示：“递送是基因编辑的主要瓶颈之一，目前的递送方法限制了大多数临床试验只能编辑肝脏、眼部或血细胞的基因组，脑部或肾脏疾病则因为没有可用的递送系统而无法得到解决。”

今年2月，张锋教授联合创建的Aera Therapeutics公司宣布正式成立，该公司推出了一种称为蛋白质纳米颗粒（PNP）的递送平台技术，获得了近2亿美元的融资。这一平台的思路是，利用人体内天然存在逆转录病毒样蛋白，自我组装成的类似病毒衣壳的“空壳”结构，将CRISPR/Cas系统以mRNA的形式递送到目标细胞。

3月30日，张锋团队又在Nature上发表重磅研究“Programmable
protein delivery with a bacterial contractile injection system”。文中介绍了一种全新的蛋白递送系统，有望将任何蛋白精准地送到任何目标人类细胞。

图1 研究成果（图源：[1]）

这一系统的灵感同样是来自于对自然界的借鉴。

2019年，北京大学高宁团队和中国医学科学院病原生物学研究所金奇团队合作，对一种名为收缩注射系统（Contractile injection systems , CIS）的精细结构进行了解析。CIS是一种大量存在于细菌和古细菌之中的类似于注射器的大分子复合物，可通过细胞膜驱动刺突，将管腔内的蛋白质载荷注入到其所识别的目标真核细胞中。

图2 CIS概念图（图源：[2]）

去年，中国医学科学院病原生物学研究所的副研究员江峰和同事报告说，可操纵昆虫致病菌发光杆菌Photorhabdus asymbiotica的CIS系统，使之装载他们从哺乳动物、植物和真菌中挑选的蛋白质。这一细菌通常寄生在线虫体内，当线虫感染昆虫后，该细菌就可利用CIS系统将毒素注射到昆虫细胞中，昆虫被毒素杀死后，就可以为线虫的生长提供营养。

看到CIS系统将特定蛋白递送到特定细胞的治疗潜力后，张锋及其同事就如何在人类细胞上运用这一系统展开了研究。研究人员将注意力集中在CIS系统的尾部纤维区域，因为这一区域使得CIS系统能够特异性地靶向目标细胞。利用蛋白质结构预测人工智能程序AlphaFold，研究团队对尾部纤维进行了修改，使之能够精准靶向人类细胞表面的不同蛋白。

图3 对CIS系统的尾部纤维进行重编程，使之能够识别特定人类细胞（图源：Nature）

结果表明，在体外细胞培养实验中，CIS系统实现的蛋白质递送具有高度特异性。只有在正确的表位-抗体配对的情况下，才能有效递送。而在活体小鼠实验中，CIS系统成功完成了颅内的蛋白质递送，且未引起任何免疫细胞的激活和炎性细胞因子的产生。

图4 只有正确的表位-抗体配对才能有效完成递送（图源：[1]）

在实验中，Cas9蛋白、碱基编辑蛋白和可用于杀死癌症细胞的毒素均被成功递送。研究的第一作者、剑桥麻省理工学院的分子生物学家Joseph Kreiz表示：“该系统能够将Cas9蛋白转运到细胞中，说明了该技术的灵活性，因为Cas9蛋白是注射器通常载荷的五倍大。”

不过，Kreitz表示，该系统还无法递送CRISPR/Cas基因组编辑所需的mRNA，但研究团队在接下来将会修改CIS系统的其他组件，以实现DNA或RNA的递送。由于这一系统在自然界中广泛存在，Kreitz还想要更深入地了解这些系统在自然界中的功能。“（它们）在整个生物圈中具有令人难以置信的多样性，然而我们对它们的特征还知之甚少。我们相信这类系统在生物学中发挥着极其重要的作用，这有待我们的探索。”