Science：重大进展！CRISPR先驱张锋利用人类蛋白质开发出新型mRNA递送平台，助推基因疗法开发

2021年8月20日讯/生物谷BIOON/---在一项新的研究中，来自美国麻省理工学院、麦戈文脑科学硏究所、霍华德-休斯医学研究所和布罗德研究所的研究人员开发出一种向细胞递送分子药物的平台。该平台被称为SEND，可以经编程后封装和递送不同的RNA货物。SEND利用体内的天然蛋白质形成类似病毒的颗粒并结合RNA，而且它可能比其他递送方式引起的免疫反应更少。相关研究结果发表在2021年8月20日的Science期刊上，论文标题为“Mammalian retrovirus-like protein PEG10 packages its own mRNA and can be pseudotyped for mRNA delivery”。

这种新的递送平台在细胞模型中有效地发挥作用，并且随着进一步的开发，可能为广泛的分子药物---包括那些用于基因编辑和基因替换的分子药物---开辟一类新的递送方法。针对分子药物的现有递送工具可能效率低下，并随机整合到宿主细胞的基因组中，而且有些可能刺激不必要的免疫反应。SEND有希望克服这些限制，这可能为部署分子药物开辟新的机会。

论文通讯作者、CRISPR先驱、布罗德研究所核心研究所成员、麦戈文脑科学硏究所研究员、麻省理工学院神经科学教授张锋（Feng Zhang）博士说，“生物医学界一直在开发强大的分子疗法，但以精确和有效的方式将它们递送给细胞是一种挑战。SEND有可能克服这些挑战。”

在这篇新的论文中，张锋及其研究团队描述了SEND（Selective Endogenous eNcapsidation for cellular Delivery, 选择性内源性封装用于细胞递送）如何利用人类细胞制造的分子。SEND的中心是一种叫做PEG10的蛋白质，它通常与自身的mRNA结合，并在其周围形成球形的保护囊。在他们的研究中，他们设计了PEG10来选择性地包装和递送其他RNA。他们利用SEND将CRISPR-Cas9基因编辑系统递送给小鼠细胞和人类细胞，以编辑靶基因。

论文第一作者、Zhang实验室博士后研究员Michael Segel和论文共同作者、Zhang实验室研究生Blake Lash说，PEG10在转移RNA的能力方面并不独特。Segel，“这就是令人兴奋的地方。这项研究表明，人体中可能还有其他的RNA转移系统，也可以被用于治疗目的。它还提出了一些非常迷人的问题，即这些蛋白质的自然作用可能是什么。”

来自内部的灵感

PEG10蛋白在人类中天然存在，它来自一种在数百万年前将自己整合到人类祖先的基因组中的“逆转录转座子（retrotransposon）”---一种类似病毒的遗传因子。随着时间的推移，PEG10已经被人体收编，成为对生命很重要的蛋白库的一部分。

完全组装好的SEND保护囊从细胞中释放出来，经收集后可用于基因疗法，图片来自McGovern Institute。

四年前，科学家们已发现，另一种逆转录转座子衍生的蛋白质---ARC---形成类似病毒的结构，并参与细胞间的RNA转移。尽管这些研究已表明，有可能将逆转录转座子衍生的蛋白设计成一种递送平台，但是科学家们还没有成功地利用这些蛋白在哺乳动物细胞中包装和递送特定的RNA货物。

鉴于了解到一些逆转录转座子衍生的蛋白质能够结合和包装分子货物，张锋团队寻求利用这些蛋白质作为可能的递送载体。他们系统性地搜索了人类基因组中的这些蛋白质，寻找能够形成保护囊的蛋白质。在他们的初步分析中，该团队发现了48个人类基因编码的蛋白质可能具有这种能力。其中的19种候选蛋白在小鼠和人类中都存在。在该团队研究的细胞系中，PEG10作为一种有效的穿梭蛋白脱颖而出；这些细胞释放的PEG10颗粒明显多于测试的任何其他蛋白质。PEG10颗粒也大多含有自身的mRNA，这表明PEG10可能能够包装特定的RNA分子。

开发一种模块化系统

为了开发SEND技术，张锋团队确定了编码PEG10的mRNA中的分子序列，或者说“信号”，PEG10识别该信号并用于包装它自身的mRNA。然后，他们利用这些信号对PEG10 mRNA和其他RNA货物进行设计，使PEG10能够选择性地包装这些RNA。接下来，他们用额外的称为fusogen的蛋白质装饰PEG10保护囊，其中fusogen在细胞表面上发现，帮助细胞融合在一起。

通过设计PEG10保护囊上的fusogen，张锋团队应该能够将PEG10保护囊靶向特定类型的细胞、组织或器官。作为实现这一目标的第一步，他们使用了两种不同的fusogen，包括在人体中发现的一种，以实现SEND货物的递送。Zhang说，“通过混合和匹配SEND平台中的不同成分，我们相信它将为开发不同疾病的治疗方法提供一种模块化平台。”

推进基因疗法

SEND是由体内自然产生的蛋白质组成，这意味着它可能不会引发免疫反应。这些作者说，如果这一点在进一步的研究中得到证实，SEND可能为反复地递送基因疗法提供机会，并将副作用降至最低。Lash说，“SEND技术将作为病毒递送载体和脂质纳米颗粒的补充，进一步扩大将基因编辑疗法递送到细胞的方法工具箱。”

接下来，张锋团队将在动物身上测试SEND，并进一步设计该平台以将RNA货物递送到各种组织和细胞。他们还将继续探索这种平台在人体中的自然多样性，以确定可以添加到SEND平台的其他成分。

Zhang说，“我们很高兴能继续推进这种方法。我们意识到可以利用PEG10以及其他很可能的蛋白质开发出应用于人体的递送途径，以包装和递送新的RNA和其他潜在的分子药物，这是一个非常强大的概念。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Michael Segel et al. Mammalian retrovirus-like protein PEG10 packages its own mRNA and can be pseudotyped for mRNA delivery. Science, 2021, doi:10.1126/science.abg6155.