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让你变美的肉毒杆菌还能救你命:哈佛团队创造新型蛋白酶可用于细胞内治疗

olivia chan

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当人们听到肉毒杆菌毒素时,他们往往想到的是使皱纹消失的化妆品或致命的毒药。但众所周知,这种“奇迹毒药”已被FDA批准用于治疗一系列疾病,如慢性偏头痛、失控的眨眼和某些肌肉痉挛。

现在,来自哈佛大学和布罗德研究所的研究团队首次证明,他们可以快速进化毒素,以针对各种不同的蛋白质,创造出一套定制的超选择性蛋白酶,有可能帮助神经再生,调节生长激素,平息猖獗的炎症,或抑制称为细胞因子风暴的威胁生命的免疫反应。

这支研究团队达成了两个第一:他们成功地对蛋白酶进行了重新编程,还为“生物学上的经典挑战”提供了解决办法:设计可以穿透细胞的治疗方法。与大多数大蛋白不同,肉毒杆菌毒素蛋白酶可以大量进入神经元,使它们具有更广泛的覆盖范围,使其作为潜在的治疗方法更具吸引力。

目前的基因编辑技术通常针对镰状细胞贫血等慢性疾病,这些疾病是由潜在的基因错误引起的。纠正错误,症状就会消失。但一些急性疾病,比如中风后的神经损伤,并不是由基因错误引起的。这就是基于蛋白酶的治疗方法的作用。蛋白质可以帮助提高身体的能力,通过暂时的甚至是一次性的治疗来治愈神经损伤等疾病。

几十年来,科学家们一直渴望利用蛋白酶来治疗疾病。与抗体不同的是,抗体只能攻击体内特定的外来物质,而蛋白酶可以找到并附着在任何数量的蛋白质上,一旦被结合,就不仅仅是破坏目标。例如,它们可以重新激活休眠的蛋白质。

“尽管有这些重要的功能,蛋白酶还没有被广泛地采用作为人类的治疗手段,”霍华德-休斯医学研究所研究员Liu说,“主要是因为缺乏一种技术来生成能够裂解我们选择的蛋白靶点的蛋白酶。”

但Liu使用了他实验室的一项技术发明:PAEC,一个能快速进化出有价值功能的新型蛋白质的平台。Liu说,PACE可以在最少的人工干预下,一天进化出几十代蛋白质。利用PACE,该团队首先教会了所谓的“杂交”蛋白酶(自然地以广泛的蛋白质为目标的蛋白酶)停止切割某些目标,而变得更具选择性。当这一方法奏效后,他们又开始了更大的挑战:教导一种蛋白酶,使其只能识别一个全新的靶标,而天然靶标之外的靶标。

这是前所未有的尝试,但蛋白酶的表现超出了团队的预期。通过PACE,他们从肉毒杆菌毒素的三个家族中进化出了四种蛋白酶;所有这四种蛋白酶都没有检测到对其原始靶标的活性,并以高特异性(从218倍至超过1100万倍)切割了其新靶标。蛋白酶还保留了其进入细胞的宝贵能力。“理论上来说,我们获得了进行细胞内治疗的强大工具,” 研究的第一作者Blum说。

虽然这项工作为快速生成许多具有新功能的新型蛋白酶提供了坚实的基础,但在这种蛋白酶用于治疗人类之前,还需要做更多的工作,也有其他的局限性。因为随着时间的推移,人体的免疫系统会将蛋白酶识别为外来物质,并对其进行攻击和化解。虽然肉毒杆菌毒素在细胞中的持续时间比大多数蛋白质长(长达三个月,而典型的蛋白质生命周期为数小时或数天),但该团队进化的蛋白质最终可能会缩短寿命,这可能会降低其有效性。

不过,由于免疫系统识别异物需要时间,因此蛋白酶可能对临时治疗有效。而且,为了避开免疫反应,该团队还在寻找进化出其他类别的哺乳动物蛋白酶,因为人体不太可能攻击与自己相似的蛋白质。

参考资料:

https://news.harvard.edu/gazette/story/2021/03/harvard-researchers-engineer-proteins/

论文链接:

DOI: 10.1126/science.abf5972


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