人工智能AlphaFold重塑细菌注射器，助力蛋白质递送

想象一下，如果能将特定蛋白质输送到特定细胞类型，例如将DNA切割酶和一条短RNA链递送到基因组的特定区域，将为基因治疗、癌症治疗以及生命科学研究提供巨大潜力。但是如何实现这一功能呢?

内生细菌已经进化出复杂的传递系统，使这些生物体能够与宿主的生物学相连接。其中一种系统是胞外可收缩注射系统（eCISs），它是类似注射器的大分子复合体，通过驱动穿过细胞膜的针刺将负载蛋白注入真核细胞。

(资料图)

去年一篇Science报道中，eCIS已被发现能够在小鼠细胞发挥作用，这意味着这些系统可以被利用于治疗性蛋白质传递。然而，eCIS是否能够在人类细胞中发挥作用尚不清楚。

基于这一挑战，麻省理工学院和哈佛大学博德研究所张锋团队，报告了一种蛋白质递送的可编程系统的开发，通过人工智能蛋白设计平台AlphaFold，重新设计基于细菌的分子注射装置，以靶向特定细胞并递送蛋白质。相关成果以“Programmable protein delivery with a bacterial contractile injection system”发表于最新一期Nature。

Photorhabdus细菌分泌出一种胞外结构，Photorhabdus毒力盒（PVCs），能够将各种蛋白质注射到目标细胞中杀死昆虫。这种胞外结构含有一个空心“注射器”，能将蛋白质装入该结构的空心管中。尾部纤维对目标细胞具有特异性，一旦纤维接触到目标细胞，它们就会与细胞表面的受体结合，鞘就会收缩。这个动作将针管物理性地推过目标膜，将蛋白质直接送入细胞。

重新设计细菌的可收缩注射系统

利用人工智能程序阿尔法折叠AlphaFold预测蛋白质结构，研究团队确定了PVC尾部纤维的一个区域，对细胞具有特异性。尤其是尾部纤维末端的预测球状部分，负责靶向结合。根据这一特性，研究人员重新设计“注射器”，对尾部纤维的结构进行修改，可以使其定位不同的细胞，并递送蛋白质。

AlphaFold 引导的尾纤维工程

研究人员替换了尾部纤维的这一部分，通过将截断的尾部纤维的序列，与能够将PVC与细胞表面的不同受体特异性结合的蛋白质结构序列，进行基因融合，将PVCs重新靶向特定的小鼠和人类细胞。实验结果表明，PVCs在人体细胞中表现出高效的递送活性和高度特异性，其效率接近100%。

研究人员首先使用实验室培养的细胞进行蛋白质递送测试。将各种蛋白质装入注射器，包括 Cas9 和可用于杀死癌细胞的毒素，并将它们输送到人体细胞。

实验针对表达EGFR的癌细胞注射毒素，结果表明，几乎100%的EGFR阳性细胞死亡，与此同时不影响没有EGFR的细胞，结合光镜直接观察方法，成功实现和检测特定的蛋白质靶向传递。研究人员还成功地装载了基因编辑系统CRISPR的大型Cas9蛋白成分，当被递送给带有引导RNA的细胞时，检测到了特定的基因编辑。

PVC 介导的蛋白质递送具有高度特异性

不仅在体外培养细胞中引入蛋白质，研究人员还探索了该细菌“注射器”是否能在活体动物中发挥作用。纯化的PVC颗粒被直接注射到小鼠大脑的海马区，结果观察到递送蛋白的荧光信号只出现在注射区域周围，重要的是，并没有引发局部免疫反应，而且在大脑注射7天后，再也无法检测到PVCs。

活体小鼠大脑中的蛋白质递送

这套细菌“注射器”，借鉴自然界的技术，加上人工智能的磨练，将为蛋白质递送系统提供巨大的发展潜力。

Nature同期刊连发两篇相关新闻，专家评论：“注射器的故事让人不禁联想到张锋研究团队开发CRISPR-Cas9的方式，即利用自然界中许多微生物抵御病毒的方式，开发成一种基因组编辑技术。与CRISPR-Cas9研究类似，细菌注射器的发展和进化，可能会对生物医学产生变革性的影响。”

【作者简介】

张锋，分子生物学家，美国艺术与科学院院士，美国国家科学院院士，美国国家发明家科学院院士，美国国家医学院院士，麻省理工学院教授，麦戈文脑科学研究所研究员，博德研究所核心研究员。

于2004年获得哈佛大学化学与物理学学士学位；2009年获得斯坦福大学化学及生物工程博士学位；2011年任职于麻省理工学院，在麦戈文脑科学研究所（McGovern Institute）大脑与认知科学部门和博德研究所（Broad Institute）从事科研工作。2017年晋升为麻省理工学院终身教授（35岁）；2018年4月当选为美国艺术与科学院院士（36岁），5月当选为美国国家科学院院士；2020年12月当选为美国国家发明家科学院院士；2021年10月当选为美国国家医学院院士。

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

https://www.nature.com/articles/d41586-023-00847-y

https://www.nature.com/articles/d41586-023-00922-4

来源：高分子科学前沿

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