Science重磅：CRISPR先驱张锋教授团队发现全新RNA递送系统

Johnny

Science重磅：CRISPR先驱张锋教授团队发现全新RNA递送系统


近日，来自Howard Hughes Medical Institute/Broad Institute of MIT and Harvard的著名科学家张锋教授团队在Science杂志上发表文章，报道了利用体内天然存在的逆转录病毒样蛋白PEG10，开发了一种SEND（selective endogenous encapsidation forcellular delivery）模块化平台，可用来包装、分泌和递送特定RNA，为核酸药物的递送开发了全新的技术。细胞外囊泡在此过程中发挥着重要作用。
   
​这项突破性技术的灵感来源于天然生物体本身。当下火热的CRISPR-Cas9基因编辑系统，其实也是来自对生物体天然存在机制的改造。

真核基因组包含来自整合病毒和移动遗传元件的驯化基因。其中包括长末端重复 (long terminal repeat, LTR) 逆转录转座子和逆转录病毒的衣壳蛋白（称为Gag）的同源物。该研究鉴定了几种哺乳动物Gag同源物，它们形成病毒样颗粒，和一种LTR逆转录转座子同源物PEG10，它优先结合并促进其自身信使 RNA (mRNA) 的囊泡分泌。研究表明，PEG10的mRNA货物可以通过将感兴趣的基因与Peg10的非翻译区进行重编程。利用这种可重编程性，通过设计小鼠和人类PEG10来包装、分泌和递送特定的RNA，开发了选择性内源衣壳化用于细胞递送 (SEND)。总之，这些结果表明SEND是一个模块化平台，适合开发为一种有效的治疗传递方式。

Source：MIT

新的递送平台在细胞模型中有效地工作，并且随着进一步的发展，可为广泛的分子药物开辟一类新的递送方法——包括用于基因编辑和基因替换的递送方法。用于这些治疗的现有载体可能效率低下并且随机整合到细胞基因组中，并且有些可能会刺激不需要的免疫反应。SEND有望克服这些限制，这可能为分子医学开辟新的机会。“生物医学界一直在开发强大的分子疗法，但以精确有效的方式将它们传递给细胞具有挑战性，”该研究的通讯作者张锋教授说。“SEND有潜力克服这些挑战。”SEND的中心是一种称为PEG10的蛋白质，它通常与其自身的mRNA结合并在其周围形成一个球形保护胶囊。该团队设计了PEG10以选择性地包装和递送其他RNA。科学家们使用SEND将CRISPR-Cas9基因编辑系统传递给小鼠和人类细胞以编辑目标基因。

PEG10蛋白天然存在于人类中，源自“逆转录转座子”——一种类似病毒的遗传元件——在数百万年前将自身整合到人类祖先的基因组中。随着时间的推移，PEG10已被身体吸收，成为对生命很重要的蛋白质库的一部分。

四年前，研究人员发现，另一种逆转录转座子衍生的蛋白质ARC形成病毒样结构，并参与细胞RNA的转移（参考阅读：https://www.exosomemed.com/3953.html）。尽管这些研究表明有可能将逆转录转座子蛋白设计为递送平台，但科学家们尚未成功利用这些蛋白质在哺乳动物细胞中包装和递送特定的RNA货物。

知道一些反转录转座子衍生的蛋白质能够结合和包装分子货物，张锋团队考虑到这些蛋白质作为可能的传递载体。他们系统地搜索了人类基因组中的这些蛋白质，寻找可以形成保护胶囊的蛋白质。在他们的初步分析中，该团队发现了48个编码可能具有这种能力的蛋白质的人类基因。其中，19种候选蛋白质同时存在于小鼠和人类中。在该团队研究的细胞系中，PEG10作为一种高效的穿梭机脱颖而出。与任何其他测试的蛋白质相比，这些细胞释放出更多的PEG10颗粒。PEG10颗粒也大多含有它们自己的mRNA，这表明PEG10可能能够包装特定的RNA分子。
Source：MIT为了开发SEND技术，该团队在PEG10的mRNA中确定了分子序列或“信号”，PEG10识别并用于包装其 mRNA。然后研究人员使用这些信号来设计PEG10和其他RNA货物，以便PEG10可以选择性地包装这些RNA。接下来，该团队用额外的蛋白质装饰PEG10胶囊，称为“融合素”，这些蛋白质存在于细胞表面并帮助它们融合在一起。

通过在PEG10胶囊上设计融合素，研究人员应该能够将胶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，该团队使用了两种不同的融合剂，包括在人体中发现的一种，以实现 SEND 货物的交付。

“通过混合和匹配SEND系统中的不同组件，我们相信它将为开发针对不同疾病的疗法提供一个模块化平台，”张锋说。

推进基因治疗
SEND由体内自然产生的蛋白质组成，这意味着它可能不会触发免疫反应。研究人员表示，如果这在进一步的研究中得到证实，SEND可以为重复提供基因治疗提供机会，并且副作用最小。SEND技术将补充现有的病毒递送载体和脂质纳米颗粒方案，以进一步扩展向细胞递送基因和编辑疗法的工具箱。接下来，该团队将在动物身上测试SEND，并进一步设计该系统以将货物运送到各种组织和细胞。他们还将继续探索这些系统在人体中的自然多样性，以确定可以添加到SEND平台的其他组件。

“我们很高兴继续推进这种方法，”张锋说。“认识到我们可以使用PEG10来设计人体中的传递途径来包装和传递新的RNA和其他潜在疗法，这是一个非常强大的概念。”


C.含核心衣壳（CA）结构域蛋白质的Mm同源物的代表性透射电子显微（TEM）负染照片。D. 使用低温电子显微镜 (cryoTEM) 对包含CA结构域的蛋白质的选定子集代表性电子显微照片。


示意图显示重编程MmPEG10以功能性递送RNA


标记MmPEG10的病毒样颗粒（VLP）免疫金电镜的代表图


SEND系统用于基因编辑系统递送的示意图


SEND是一个模块化交付平台，结合了内源性Gag同源物、货物mRNA和融合素，可针对特定情况进行定制

参考资料：
MIT news
SegelM, Lash B, Song J, Ladha A, Liu CC, Jin X, Mekhedov SL, Macrae RK, Koonin EV,Zhang F. Mammalian retrovirus-like protein PEG10 packages its own mRNA andcan be pseudotyped for mRNA delivery. Science. 2021Aug 20;373(6557):882-889. doi: 10.1126/science.abg6155. PMID: 34413232.

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