Nature | 运用AI设计蛋白质组装体开发超百种RNA递送系统

撰文 | 染色体

病毒经过数十亿年的进化，逐渐形成高效的遗传信息传递机制，并在衣壳大小和形态上表现出高度趋同性【1】。相比之下，生成式蛋白质设计能够突破自然进化的限制，创造自然界中不存在的全新蛋白质结构【2】。

近日，来自德国慕尼黑亥姆霍兹中心发育遗传学研究所的Wolfgang Wurs与Florian Giesert共同在Nature期刊发表题为Creating bottom-up RNA transfer vehicles from synthetic protein assemblies（从合成蛋白质组装体自下而上构建RNA递送载体）的文章。研究人员利用AI设计的蛋白质组装体构建新型核酸递送载体，将天然蛋白结构域与人工蛋白组装体相结合，开发出超过100种RNA递送系统。其递送效率较传统载体提高数个数量级，并可通过计算设计的结合肽实现细胞靶向递送。部分载体进一步完成了体内分布和安全性验证，并成功应用于杜氏肌营养不良症（DMD）的基因编辑治疗。

自然选择推动病毒适应特定生态环境，使其形成高效的基因递送系统，但长期进化也使不同病毒的衣壳结构趋于相似【3】。然而，当病毒被用于人工基因工程时，部分为适应自然环境而形成的特征可能并非必要，甚至可能限制其性能。AI蛋白设计因此提供了一种突破自然进化路径的策略，使研究人员能够构建自然界不存在的蛋白质结构，并探索全新的生物工程体系【4】。

AI蛋白组装体的筛选

首先，研究人员利用RFdiffusion等生成式AI蛋白设计模型，构建具有不同大小、形态和对称性的人工蛋白组装体，并将其与膜结合、出芽和RNA结合等功能结构域融合，构建合成RNA递送载体（STVs）。研究人员建立“STV释放—细胞摄取—RNA递送效率”的三维筛选体系，对39种不同对称结构进行系统评估。结果发现，具有非天然二面体和环状对称结构的STVs整体优于传统二十面体结构，其中C8对称结构表现出较高的RNA装载和递送能力。随后，研究人员进一步扩展C8组装体及膜结合结构域，筛选获得来源于黑熊的UaPHPLC膜结合结构域，并与SynL-tdPCP-HE0690组合，最终构建出高效RNA递送载体STV-C8，为大规模设计具有定制功能的人工RNA递送系统奠定基础。

STV-C8：高效、精准且安全的RNA递送载体

研究人员进一步对STV-C8的结构和递送性能进行系统表征。结果显示，与缺失膜结合结构域的对照相比，STV-C8能够实现超过1万倍的RNA富集，并形成直径约50–300 nm的囊泡。结构分析表明，STV-C8人工蛋白组装体能够诱导膜弯曲并促进囊泡出芽，其RNA可能主要包装于组装体表面，并由周围膜结构提供保护。功能验证显示，STV-C8的RNA递送效率显著高于VLP、EPN和SEND等已有递送系统。与临床使用的LNP相比，其转染效率提高超过1,000倍，达到相同蛋白表达水平所需的RNA剂量降低超过10,000倍。此外，研究人员可通过AI设计的肽结合分子对STV-C8进行功能编程，实现细胞类型特异性靶向。STV-C8对1–10 kb范围内的RNA均具有良好递送能力，且未引起明显的干扰素反应或细胞凋亡，并具有良好的储存稳定性。

STV-C8：从细胞递送走向体内基因治疗

在验证STV-C8高效RNA递送能力后，研究人员进一步将其应用于多种复杂细胞模型。STV-C8能够递送CRISPR蛋白、转录因子及可编程抗病毒系统，并可穿透多层RPE球体，将RNA递送至内部细胞。递送Cas9/sgRNA后，可在猪成纤维细胞中实现约40%的DMD基因外显子51删除；递送Cas13d系统则几乎完全阻断iPS细胞来源肺细胞中的SARS-CoV-2复制。随后，研究人员开展动物实验。小鼠静脉注射STV-C8后，递送的mRNA主要在肺组织中特异性表达，且未观察到明显免疫或毒性反应。进一步在猪肌肉中递送Cas9/sgRNA，成功删除DMD基因外显子51；在人源DMD患者来源的肌肉细胞中，同样实现外显子51删除并恢复DMD基因开放阅读框。尽管其临床转化仍需进一步优化全身递送、组织靶向和细胞特异性，但这些结果表明，STV-C8兼具高效RNA递送能力、良好安全性和基因治疗潜力。

综上所述，该研究研究人源天然蛋白功能结构域与AI设计的人工蛋白组装体相结合，突破了传统病毒载体依赖自然进化结构的限制，构建了新型RNA递送系统STVs。通过大规模筛选，研究人员获得了具有独特C8平面对称结构的STV-C8，其RNA递送效率较天然载体及临床LNP提高数个数量级，并能够通过计算设计的结合肽实现靶向递送。进一步的细胞和动物实验表明，STV-C8能够递送多种功能性RNA，具有良好的安全性，并成功应用于DMD基因编辑。该研究展示了生成式AI从头设计蛋白质递送系统的巨大潜力，为突破传统RNA递送载体的性能和靶向限制提供了全新路径。

https://doi.org/10.1038/s41586-026-10952-3

制版人： 十一

参考文献

[1] Zandi, R., Reguera, D., Bruinsma, R. F., Gelbart, W. M. & Rudnick, J. Origin of icosahedral symmetry in viruses.Proc. Natl Acad. Sci.USA101, 15556-15560 (2004).

[2] Watson, J. L. et al. De novo design of protein structure and function with RFdiffusion.Nature620, 1089-1100 (2023).

[3] Twarock, R. & Luque, A. Structural puzzles in virology solved with an overarching icosahedral design principle.Nat. Commun. 10, 4414 (2019).

[4] Krishna, R. et al. Generalized biomolecular modeling and design with RoseTTAFold All-Atom.Science384, eadl2528 (2024).

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