江峰/金奇团队报导病原菌分泌系统改造成高效蛋白递送工具

责编｜酶美

将不同类型的蛋白核酸等大分子特异性递送进细胞是开发新型疫苗以及精准靶向治疗的关键，被Nature杂志认为是2022年最有可能对科学产生影响的技术之一【1】。以脂质体和腺病毒载体等为代表的递送载体已被大量应用于核酸递送【2, 3】，但由于载体与蛋白的特异性识别、递送的精准度以及病毒载体潜在的生物安全隐患等问题，更安全高效的普适性蛋白载体亟待开发。

病原菌分泌系统能够特异性地将多种蛋白大分子转运至细胞内发挥作用，这使得它可以作为生物医学领域中蛋白递送系统的一种理想候选。一类可收缩注射系统（Contractile Injection Systems，CIS）广泛分布于细菌和古细菌中，许多结构如六型分泌系统（Type VI Secretion System，T6SS）及发光杆菌毒力基因簇（Photorhabdus Virulence Cassette，PVC）等均属于此类装置。它们具有类似T4噬菌体尾部的弹性结构，通过储存在外鞘（sheath）蛋白中的能量将不同装载蛋白主动注射入原核或真核细胞内。尤其是分泌到细菌胞外的PVC装置，不仅脱离了菌体热源便于制备，而且其储存的能量能够保证其仅使用一次因此不具有传染性。迄今，已经有包括中国医学科学院病原生物学研究所江峰/金奇团队在内的多个国内外单位报导了一系列相关CIS装置的结构及其作用机理【4-7】，为深入开发相关复合物用于递送工具奠定了良好的基础，而且也有团队利用T6SS对蛋白递送进行了初步尝试【8】。尽管如此，递送复合物和装载蛋白如何识别并整合成有效的注射装置用于真核细胞转运一直还未明确。

2022年4月29日，中国医学科学院病原生物学研究所江峰/金奇研究员团队在Science Advances发表了题为N-terminal signal peptides facilitate the engineering of PVC complex as a potent protein delivery system的研究论文，该文鉴定了一类N端信号肽的功能，借助该类信号肽能将不同性质来源的蛋白质导入PVC复合物中并精确转运至真核细胞内，而且成功在实验动物的肿瘤靶向治疗中得到应用。

本工作中，通过对效应蛋白的序列分析，发现一段特异性信号肽编码在其N端，且在效应蛋白装配入PVC复合物中发挥了关键的作用。随后通过人工设计的方法，成功将来源于原核和真核生物的不同大小、等电点和功能的蛋白引导装入PVC复合物内筒中，并递送进真核细胞中发挥生理功能，这极大满足了靶向治疗中对装载蛋白多样性的选择需求。研究工作还发现，pvc基因簇中的一个ATPase家族蛋白Pvc15能识别上述N端信号肽并协助装载蛋白的转运。最后通过装载一类细胞致死因子，该PVC装置被成功应用于荷瘤小鼠的精准治疗实验，显著抑制了小鼠体内肿瘤细胞的生长。本研究不仅鉴定了一类N端信号肽的作用机理，揭示了它们在PVC复合物货物装载过程中的关键功能，还成功将此装置应用于生物医学治疗领域的研究。这项工作开拓了PVC在人工设计装载多源蛋白方面的应用，为精准治疗及疫苗递送等提供了普适性的新型特异蛋白递送系统。

中国医学科学院病原生物学研究所江峰研究员、硕士研究生申嘉玮及北京大学生命科学学院程稼萱博士为该文章的共同第一作者，江峰研究员和金奇研究员为共同通讯作者。本工作得到了北京大学生命科学学院高宁教授团队的大力支持，北京大学现代农学院杨建国研究员也参与了部分工作。

论文通讯作者江峰博士为中国医学科学院&北京协和医学院助理教授、研究员，就职于中国医学科学院病原生物学研究所并任课题组长。长期从事细菌分泌系统作用机制、与宿主相互作用及其改造应用等方向的研究工作。以第一及通讯作者在Cell、Cell Host & Microbe、Science Advances、Cell Reports等国际知名学术期刊发表研究论文多篇。实验室欢迎对细菌分泌系统、致病机制及相关应用研究感兴趣的博士后、研究生加入。

简历投递（有意者请将个人简历等材料发至）：

https://jinshuju.net/f/ZqXwZt

https://www.science.org/doi/epdf/10.1126/sciadv.abm2343

制版人：十一

参考文献

1. M. Eisenstein, Seven technologies to watch in 2022.Nature, 2022. 601(7894): p. 658-661.

2. J. Chang, Adenovirus Vectors: Excellent Tools for Vaccine Development.Immune Netw, 2021. 21(1): p. e6.

3. K. A. Hajj and K. A. Whitehead, Tools for translation: non-viral materials for therapeutic mRNA delivery.Nature Reviews Materials, 2017. 2(10).

4. F. Jiang, N. Li, X. Wang, J. Cheng, Y. Huang, Y. Yang, J. Yang, B. Cai, Y. P. Wang, Q. Jin, and N. Gao, Cryo-EM Structure and Assembly of an Extracellular Contractile Injection System.Cell, 2019. 177(2): p. 370-383 e15.

5. P. Ge, D. Scholl, N. S. Prokhorov, J. Avaylon, M. M. Shneider, C. Browning, S. A. Buth, M. Plattner, U. Chakraborty, K. Ding, P. G. Leiman, J. F. Miller, and Z. H. Zhou, Action of a minimal contractile bactericidal nanomachine.Nature, 2020. 580(7805): p. 658-+.

6. G. L. Weiss, F. Eisenstein, A. K. Kieninger, J. Xu, H. A. Minas, M. Gerber, M. Feldmuller, I. Maldener, K. Forchhammer, and M. Pilhofer, Structure of a thylakoid-anchored contractile injection system in multicellular cyanobacteria.Nature Microbiology, 2022. 7(3): p. 386-396.

7. J. Xu, C. F. Ericson, Y. W. Lien, F. U. N. Rutaganira, F. Eisenstein, M. Feldmuller, N. King, and M. Pilhofer, Identification and structure of an extracellular contractile injection system from the marine bacterium Algoriphagus machipongonensis.Nature Microbiology, 2022. 7(3): p. 397-410.

8. S. J. Hersch, L. Lam, and T. G. Dong, Engineered Type Six Secretion Systems Deliver Active Exogenous Effectors and Cre Recombinase.mBio, 2021. 12(4): p. e0111521.

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