AlphaFold助力，张锋改造出全新蛋白质定向递送系统

科技前沿
2023-03-30
如果把细胞比作是精密的机械钟表，那么蛋白质就是其内部大大小小的齿轮，它们是生命活动的主要执行者，发挥着生命基石般的关键作用。而蛋白质结构是其功能的基础，如果我们能任意改造蛋白质结构，那么就能自由控制其功能，其潜在应用无疑非常巨大。

要想实现这一点，准确预测或解析蛋白质的三维空间构象是关键第一步。在过去，想要确定蛋白质结构不仅困难而且耗时耗力。而随着人工智能（AI）技术的发展，DeepMind公司开发的AlphaFold，能够仅依据蛋白质序列信息，就能快速准确预测蛋白质三维结构，其强大的能力受到越来越多的关注和应用。

2023年3月29日，CRISPR基因编辑先驱张锋教授及其团队在 Natrue 期刊发表了题为：Programmable protein delivery with a bacterial contractile injection system 的研究论文。

在这项最新研究中，张锋团队通过AlphaFold辅助蛋白质设计开发了一种蛋白质递送系统——改造、利用独特的细菌“注射器”将蛋白质注射到人类细胞中。这种新型蛋白质递送方式或将改变基因治疗、癌症治疗等前沿疗法格局，具有强大的应用前景。


内共生细菌是一类特殊的细菌，它们可以寄生在宿主细胞的内部，并已然进化出复杂的传递系统使其分泌调节宿主细胞的生物因子。例如，细胞外可收缩注射系统（eCIS），正是这样一种类似于“注射器”的大分子复合物。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有效载荷注入到真核细胞中。

eCIS广泛分布在细菌和古菌中，并已被证明具有多种天然功能，包括调节宿主细胞骨架、DNA切割，诱导变形运动和产生宿主毒性。最近，有研究发现eCIS可以靶向小鼠细胞，这就提高了eCIS作为蛋白质递送工具的可能性。

然而，eCIS的活性尚未在人类细胞中得到证实，如果想要将eCIS开发为靶向递送系统，就要先阐明eCIS识别靶细胞的机制。

在这项最新研究中，张锋团队首先选定了eCIS的一个亚型——Photorhabdus virulence cassette（PVC）。PVC由一个约20kb的操纵子组成，包含16个核心基因（pvc1-16），以及下游的有效载荷Pdp1和Pnf。研究团队发现，PVC有效载荷蛋白的N端高度无序区域是其“包装结构域”，只要将其与想要递送的蛋白（例如GFP）融合，就能将其加载到PVC复合体中。


蛋白PVC递送系统20230330.png


图1. PVC系统可以被重新编程以在真核细胞中定制蛋白递送


值得注意的是，除了N端高度无序区域之外，Pvc13（尾纤维蛋白）和Pvc15（一种ATP酶）也是该递送系统成功的关键。其中，Pvc13可能参与了PVC复合体的靶标识别，并可用于操纵PVC复合体的靶标特异性。


基于此，研究团队使用AlphaFold预测Pvc13的三维结构，当将其作为三聚体时，Pvc13的C端形成了一个预测的螺旋管结构和一个球状的尖端结合结构域。研究团队由此假设，改变Pvc13的这个尖端结合域的结构特征可能会导致PVC的靶向性发生可预测的变化。


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图2.   AlphaFold预测和改造Pvc13，以改变PVC系统的宿主细胞靶向性


为了验证这一点，研究团队将针对人类细胞的结合结构域（Ad5-knob和E01-DARPin）插入到Pvc13的C端结合域，并测试由此产生的PVC复合体是否可以靶向人类细胞。结果显示，改造后的PVC可以有效杀死A549细胞（携带毒性基因）或高效表达GFP（融合蛋白）。

这些结果表明，Pvc13是PVC复合体的一个靶向性决定元件，该蛋白可以被修饰，从而靶向特定的细胞系。


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图3. PVC介导的蛋白递送具有高度特异性



进一步研究显示，改造后的PVC复合体还可以自由装载spCas9、锌指脱氨酶（ZFD）以及细胞毒素等不同的效应元件，前两者分别实现对靶细胞DNA的基因编辑和不依赖RNA的基因编辑，后者则可以靶向清除癌细胞、衰老细胞等有害细胞。


改造后的PVC系统可以靶向递送多种效应元件.png


图4. 改造后的PVC系统可以靶向递送多种效应元件

不仅如此，为了验证PVC递送系统在活体动物中的效果，张锋团队再次使用AlphaFold引导Pvc13的工程化设计，并筛选到两种靶向小鼠细胞的PVC系统——Pcc-13-Ad5-knob（RGD/PK7）和Pvc13-Anti-MHCII Nb。与预期一致，前者表现出较为广泛的趋向性（正如Ad5 RGD/PK7病毒感染那样），而后者则对MHC+免疫细胞表现出强烈的偏好性。

张锋团队还发现，PVC治疗没有产生任何显著的免疫细胞激活、炎症细胞因子产生、体重损失或细胞毒性，这表明PVC治疗在实验过程中没有产生免疫原性或毒性。此外，PVC治疗七天后就无法从小鼠大脑中检测到PVC相关蛋白，这表明PVC递送系统仅在大脑中短暂停留，不会持续太长时间。


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图5. 重编程的PVC系统在小鼠体内实现靶向递送

总的来说，这些结果表明，PVC系统经过改造后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。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-05870-7


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