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2023年3月底，CRISPR的先驅(qū)者，華人科學(xué)家張鋒教授及其團(tuán)隊(duì)在 Nature 期刊發(fā)表了題為：Programmable protein delivery with a bacterial contractile injection system 的研究論文。

01文章概覽

文章中張峰團(tuán)隊(duì)的研究者們從微生物中取材，制造出了全新的蛋白遞送系統(tǒng)。該系統(tǒng)形似“注射器”，可以通過改變結(jié)合基團(tuán)以接近100%的效率靶向特定細(xì)胞，遞送Cas9蛋白等基因編輯組件或生物毒素，以實(shí)現(xiàn)基因編輯、調(diào)控特定生理過程乃至殺死癌細(xì)胞等目的。

內(nèi)共生細(xì)菌（Endosymbiotic bacteria）是一類特殊的細(xì)菌，它們可以寄生在宿主細(xì)胞的內(nèi)部，并已進(jìn)化出復(fù)雜的傳遞系統(tǒng)使其分泌調(diào)節(jié)宿主細(xì)胞的生物因子。例如，細(xì)胞外可收縮注射系統(tǒng)（eCIS），正是這樣一種類似于“注射器”的大分子復(fù)合物。eCIS通過驅(qū)動(dòng)一個(gè)“針頭”結(jié)構(gòu)穿透細(xì)胞膜，然后將攜帶的蛋白質(zhì)有效載荷注入到真核細(xì)胞中。

通過重新編程的pvcs進(jìn)行蛋白質(zhì)遞送的模型

在這項(xiàng)最新研究中，張鋒團(tuán)隊(duì)首先選定了eCIS的一個(gè)亞型——Photorhabdus virulence cassette（PVC）。PVC由一個(gè)約20kb的操縱子組成，包含16個(gè)核心基因（pvc1-16），以及下游的有效載荷Pdp1和Pnf。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，PVC有效載荷蛋白的N端高度無序區(qū)域是其“包裝結(jié)構(gòu)域”，只要將其與想要遞送的蛋白（例如GFP）融合，就能將其加載到PVC復(fù)合體中。

PVC系統(tǒng)可以被重新編程以在真核細(xì)胞中定制蛋白遞送

于是，研究團(tuán)隊(duì)使用人工智能蛋白設(shè)計(jì)平臺(tái)AlphaFold，通過氨基酸序列預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，重新設(shè)計(jì)了發(fā)光桿菌的注射器，使之從靶向結(jié)合昆蟲細(xì)胞改為靶向結(jié)合人類細(xì)胞。類似的，這套系統(tǒng)也可以學(xué)會(huì)靶向小鼠細(xì)胞。細(xì)胞實(shí)驗(yàn)的結(jié)果顯示，經(jīng)過改造，“注射器”識(shí)別人類細(xì)胞和小鼠細(xì)胞的效果接近100%。

02未來應(yīng)用方向

同時(shí)，研究人員通過重新設(shè)計(jì)發(fā)光桿菌eCIS的另一部分，還能根據(jù)需要讓它們裝載不同的蛋白質(zhì)，包括基因編輯系統(tǒng)的核酸酶Cas9、堿基編輯器、可以殺死癌細(xì)胞的毒素等。

重新設(shè)計(jì)細(xì)菌的胞外可收縮注射系統(tǒng)，將其改造為專門靶向特定人類細(xì)胞遞送所需蛋白質(zhì)的裝置

結(jié)果表明，PVC系統(tǒng)經(jīng)過改造后可以在細(xì)胞和體內(nèi)靶向遞送蛋白質(zhì)，并在基因編輯、癌癥治療和臨床靶向遞送等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，未來可能成為許多生物療法的關(guān)鍵遞送工具。

03文章中的實(shí)驗(yàn)材料：質(zhì)粒

在最后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)部分，張峰團(tuán)隊(duì)也將文章中使用到的質(zhì)粒都寄存在了全球非盈利質(zhì)粒收藏中心：Addgene，以便于對(duì)該技術(shù)感興趣的其他科學(xué)家可以便捷的獲得同款質(zhì)粒。

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https://www.addgene.org/browse/article/28233921/

04ADDGENE與中源

ADDGENE成立于2004年，位于美國馬薩諸塞州，是一家非營利性的機(jī)構(gòu)，最初由三位華人科學(xué)家一起建立，其目的是幫助科學(xué)家更好的分享和收藏質(zhì)粒。

在ADDGENE建立之前，科學(xué)家們分享質(zhì)粒是一件非常困難的事情。ADDGENE建立后，科學(xué)家發(fā)表文章中如涉及到質(zhì)粒，只需要將質(zhì)粒寄送給ADDGENE，他們就會(huì)負(fù)責(zé)后續(xù)的質(zhì)粒分發(fā)工作。其他科學(xué)家讀到這篇文獻(xiàn)后，可以很方便的從ADDGENE獲取需要的質(zhì)粒用于以后的研究。Addgene的使命是：通過加快對(duì)有質(zhì)粒、病毒、文庫等有用材料和信息的研究和分享，以加快科學(xué)的研究和發(fā)現(xiàn)。

截止目前ADDGENE共有質(zhì)粒122,816種（來自5,499個(gè)實(shí)驗(yàn)室），768種病毒（其AAV病毒742種，慢病毒26）種，向全球111個(gè)國家進(jìn)行分發(fā)，未來ADDGENE還將開始分發(fā)抗體產(chǎn)品，并提供這些抗體在實(shí)驗(yàn)室中應(yīng)用的一些數(shù)據(jù)結(jié)果，以供全球科學(xué)家參考。同時(shí)，ADDGENE也建立了AAV病毒的數(shù)據(jù)共享中心，分享全世界科學(xué)家在AAV方面的最近研究結(jié)果。

過去，中國科學(xué)家購買ADDGENE產(chǎn)品需要和ADDGENE美國總部聯(lián)系，付匯以及海關(guān)清關(guān)等都比較麻煩，為此，ADDGENE指定北京中源合聚生物科技有限公司為其中國分銷商，以便為中國科學(xué)家提供更好的服務(wù)。我司于2012年8月1日開始正式成為ADDGENE在中國大陸地區(qū)指定的唯一代理商，致力于為中國用戶提供更快更專業(yè)的質(zhì)粒進(jìn)口服務(wù)，助力中國科研。

參考文獻(xiàn)

[1]https://www.nature.com/articles/s41586-023-05870-7

[2]https://www.instrument.com.cn/news/20230330/658254.shtml