NBT | 张锋团队实现多种生物分子的高效递送——细菌‘纳米注射器’系统的工程化改造新成果

撰文 |木兰之枻

实现治疗性生物大分子的高 效特异性递送是基因治疗领域面临的关键挑战（ 详见BioArt报道： ）【1】。近期研究表明，源于原核生物的一类注射器样蛋白质复合物 —收缩注射系统(Contractile injection systems ,CIS)，能介导效应分子向邻近细胞的注射式递送，这为蛋白质和D NA/RNA 等生物大分子递送提供了新思路。其中，由发光杆菌毒力基因簇（Photorhabdus Virulence Cassette，PVC）编码的C IS 系统已被改造为纳米注射器，可实现多种功能性蛋白如Cas 9 、碱基编辑器及毒素蛋白向小鼠和人类细胞乃至动物体内的高效特异性递送（ 详见BioArt报道：； ）【2-3】。然 而，现有的PVC纳米注射器主要局限于蛋白质递送，尚难以有效递送DNA/RNA等核酸分子。这一局限性严重制约了其应用前景。

近 日，美国霍华德休斯医学研究院 (HHMI)、麻省理工学院Broad研究所的 张锋 实验室在 N ature B iotechnology 杂志上发表了题为 Targeted delivery of diverse biomolecules with engineered bacterial nanosyringes 的论文 。 文章基于第一代P VC “纳米注射器”开展了系统性研究和改造。研究开发出的新体系S PEAR 能够高效装载多种生物大分子，包括核糖核蛋白复合物(RNP)以及单链DNA(ssDNA)，并实现细胞和动物体内的高效特异性递送，这一成果显著拓展了纳米注射器递送系统的应用范围，为其未来临床转化与应用奠定了基础。

第一代P VC 纳米注射器通过N端信号肽将目标蛋白装载至 P VC s颗粒内，从而实现蛋白质递送。为突破其仅限于蛋白质递送的局限，研究者 借鉴了同源 的 VI型分泌系统T6SS 利用 刺突蛋白 递送生物大分子的机制，对P VC 系统的刺突蛋白组分 Pvc8/Pvc10 进行工程化改造。结果显示，当改造后的刺突蛋白Pvc8/Pvc10与人源细胞靶向的工程化尾丝蛋白Pvc13-Ad5-knob结合时， 能够高效递送Cas9-sgRNA核糖核蛋白复合物（RNP）至人源细胞，并成功实现靶位点基因编辑。研究还发现，将刺突蛋白组分（Pvc8/Pvc10）介导的递送与N端信号肽介导的递送策略相结合，可进一步实现锌指双蛋白组分碱基编辑系统的有效递送。

此外，Pvc10作为外部组分，虽非PVC复合体组装所必需，但能在体外自发组装至缺失Pvc10的PVC复合体上。 这一特性赋予其在生物分子递送领域的独特优势： 可实现包括化学修饰分子在内的各类合成型分子的装载与递送，解决了此前 的递送 难题。 研究者利用Pvc 10 这一特性成功实现了Cas9- sg R NA R NP 复合物的细胞内递送和基因组靶位点编辑。

研究者还通过将 HUH核酸内切酶结构域（HUH domain）与Pvc10融合，实现了单链DNA（ssDNA）的细胞内递送及靶位点精准编辑。 此外， 通过 将Cas9和HUH结构域分别融合至Pvc10的C端和N端，研究者成功实现了Cas9-sgRNA RNP与ssDNA的同步递送及靶位点编辑，验证了新系统的多功能性。

为拓展PVC系统的应用场景并增强其细胞 特异性 靶向能力，研究者对尾丝蛋白Pvc13进行了深度工程化改造：在其远端结合结构域中嵌入生物偶联标签（如SpyTag [ST] 或 SNAP-tag [SNAP]） ，使 PVC颗粒可在体外与单链抗体（scFv）或单克隆抗体（mAb）实现共价偶联，从而显著拓宽了对 多种 细胞/组织类型的靶向递送能力。基于此策略，研究者在混合培养的鼠源A20细胞和人源A431细胞中实现了特异性靶向杀伤。 体内实验进一步证实，该策略可特异性清除小鼠脾脏中的MHC II阳性细胞。

最后，研究者证实：基于Pvc8/Pvc10的生物分子装载模块和基于Pvc13的细胞/组织靶向模块，均可在体外自发组装至缺失相应组分（Pvc10/Pvc13）的PVC复合体上，并最终在细胞水平实现精准的靶向递送与基因编辑。

综上所述，本研究通过模块化改造策略 设计的新型 PVC纳米注射器系统SPEAR，成功实现了蛋白质、DNA/RNA等多种生物大分子的高效装载以及抗体介导的细胞特异性靶向，最终在细胞和动物水平上达成了靶向递送与有效编辑。 凭借PVC独特 的 注射式递送机制，SPEAR系统有望实现对代谢休眠/衰老细胞以及植物、真菌乃至原核生物等传统递送方法难以靶向 的对象的有效递送和编辑，展现出了巨大的应用潜力 。

https://doi.org/10.1038/s41587-025-02774-x

制版人： 十一

参考文献

1. van Haasteren, J., Li, J., Scheideler, O.J. et al. The delivery challenge: fulfilling the promise of therapeutic genome editing.Nat Biotechnol38, 845–855 (2020).

2. Kreitz, J. et al. Programmable protein delivery with a bacterial contractile injection system.Nature616, 357–364 (2023).

3. Jiang, F. et al. N-terminal signal peptides facilitate the engineering of PVC complex as a potent protein delivery system.Sci. Adv.8, eabm2343 (2022).

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