生物通報道  作為潛在的新一代治療和研究工具，幾乎沒有什么生命科學技術比基因組編輯蛋白質更具發展前景——研究人員可通過編程這些分子來改變特定基因，以治療或甚至治愈一些遺傳性疾病。

可是，要將這些基因組編輯蛋白導入到細胞中，尤其是活體動物或人類患者體內，對于研究人員而言卻仍是一個巨大的挑戰。

通常，研究人員是將編碼這些基因組編輯蛋白的DNA傳送到細胞中，然后依賴細胞來生成相應的基因組編輯蛋白質。然而，許多的DNA傳送策略并不能夠應用于動物或人類患者。其他的一些DNA傳送策略，例如通過感染病毒將DNA注入細胞中可以引發長期的復雜的安全問題，尤其在編輯人類基因組之時。

一項發表在10月30日《自然生物技術》（Nature Biotechnology）雜志上的新研究發現，相比于將編碼基因組編輯蛋白的基因傳送到細胞中，直接傳送這些蛋白質有可能更具有前景。一類有可能已置于許多生物學家架子上的分子，可為這些基因組編輯蛋白打開大門。

論文的通訊作者是哈佛大學化學及化學生物學教授，霍華德休斯醫學研究所研究員David R. Liu。據稱這位教授是一位從來沒有做過博士后的年輕教授，他早年畢業于哈佛大學，1999年在加州大學伯克利校區攻讀博士學位，在Peter Schultz教授指導下從事核糖核酸研究，并自主首次開始活細胞遺傳密碼的研究。之后就被哈佛大學任命為助教授，2004年晉升為教授。Liu教授曾被麻省理工學院技術評論列入全球Top 100 青年發明家（35歲以下），“大眾科學”亦將其列入全美Top10最具才氣的青年科學家（延伸閱讀：哈佛華裔牛人Nature子刊解析Cas9特異性 ）。

在David Liu以及研究組成員John Zuris及David Thompson的領導下，哈佛大學的研究人員小組開發出了一個利用商業化陽離子脂質（cationic lipid）的系統，其能夠有效地將基因組編輯蛋白導入到細胞中，他們還證實了這一技術可用于修飾活體動物的基因。

David Liu解釋說：“當前的遺傳性疾病治療藥物不能解決疾病的根源。不同于傳染性疾病，我們是通過殺死致病介質來進行治療。針對由我們自身的基因突變所引起的疾病，必須要進入到細胞中，對我們的基因組實施手術來修正問題的根源。多虧了世界各地的科學家們近年來獲得的一些新研究發現，我們現在擁有了可以實施這種手術的基因組編輯蛋白。但仍然面臨著一個挑戰：像幾乎所有的蛋白質一樣，這些蛋白無法自發地進入到細胞中。

“在這項研究中，我們描述了一種能夠極其有效地將基因組編輯蛋白傳送到細胞中去的新方法。我們觀察到利用這一方法不僅可以在培養細胞中，還可在活體動物中實現高效的基因組修飾。”

盡管David Liu謹慎地表示，沒有任何一個系統，包括新開發的這一系統是完全通用的傳遞方案，但他也表示相信將基因組編輯蛋白傳送到細胞中，能夠給罹患一系列疾病，包括某些眼、耳、肝臟、肌肉和血液疾病的患者帶來希望。

研究人員瞄準的一種疾病是耳聾（deafness）。

與哈佛醫學院的耳鼻喉科學副教授Zheng-Yi Chen以及馬薩諸塞眼科及耳鼻喉專科醫院的研究人員一起，David Liu和同事們利用這一新開發的系統修飾了小鼠內耳特化“毛細胞”中的基因。由環境或遺傳因素導致的毛細胞受損是聽力喪失的一個常見病因。

David Liu說，將蛋白質導入到細胞中去的一種常用策略是依賴于陽離子蛋白質。由于哺乳動物細胞的外部裝飾著一些負電荷分子，正電荷蛋白可以附著負電荷分子上，由細胞將它們吞入到核內體( endosome )中。David Liu和學生們以往曾開發出這樣的一種策略：利用正“超電荷”蛋白作為載體。

David Liu說：“幾十年來眾所周知，讓貨物從核內體脫離出來是一件非常困難的事情。蛋白質自發性脫離核內體的效率極低——在正常情況下下有可能低到了百萬分之一。”

為了開發出一個能夠更有效地將蛋白質傳送到細胞中去的系統，David Liu和同事們采用了相反的方法，模擬了科學家們將DNA和RNA一類的核酸傳送至細胞中去的方式。

這一系統依賴于稱作為陽離子脂質的正電荷分子，其能夠結合負電荷核酸形成脂質體。脂質體一旦形成，其可通過至少兩種方式將內容物傳遞到細胞中。在某些情況下，脂質體有可能與細胞膜融合釋放它的貨物。此外，脂質體還可能與核內體膜融合釋放出內容物。

“我們有一個非常簡單的想法，即將研究人員用來傳送DNA和RNA的商業化陽離子脂質用于傳送蛋白質。這次我們沒有采用超正電荷蛋白，而是利用了超負電荷蛋白，其類似于核酸處于高度的負電荷狀態。利用陽離子脂質來傳送與高度負電荷分子結合的蛋白質，相比于采用正電荷蛋白質或肽來傳送蛋白質其效力提高了近1000倍。”

重要的是，研究小組的實驗證實利用這一新系統來傳送基因組編輯蛋白質，至少與傳送編碼基因組編輯蛋白的DNA所觀察到的最好結果一樣高效。而David Liu和同事們證實，傳送蛋白質比傳送DNA的基因組編輯特異性要高得多。

這樣的結果正是研究人員所期望看到的。“傳送DNA之后，在長時間內難以控制編碼蛋白的表達量。DNA傳送與期望的基因組編輯結果之間總是無法一致。在基因組編輯中，其任務是修復一個或兩個拷貝的基因。而在基因組編輯蛋白完成這一任務后，你會想讓它消失，因為在此之后它所做的就是不希望發生并有可能是有害的事情。”

“因此，短暫的、一時的蛋白質傳遞似乎比DNA傳遞更適合于大多數的基因組編輯應用。”

David Liu相信，最終基因組編輯蛋白有可能作為新一代的療法來治療一直以來難于治愈的一系列疾病。

（生物通：何嬙）

生物通推薦原文摘要：

Cationic lipid-mediated delivery of proteins enables efficient protein-based genome editing in vitro and in vivo

Efficient intracellular delivery of proteins is needed to fully realize the potential of protein therapeutics. Current methods of protein delivery commonly suffer from low tolerance for serum, poor endosomal escape and limited in vivo efficacy. Here we report that common cationic lipid nucleic acid transfection reagents can potently deliver proteins that are fused to negatively supercharged proteins, that contain natural anionic domains or that natively bind to anionic nucleic acids. This approach mediates the potent delivery of nM concentrations of Cre recombinase, TALE- and Cas9-based transcription activators, and Cas9:sgRNA nuclease complexes into cultured human cells in media containing 10% serum. Delivery of unmodified Cas9:sgRNA complexes resulted in up to 80% genome modification with substantially higher specificity compared to DNA transfection. This approach also mediated efficient delivery of Cre recombinase and Cas9:sgRNA complexes into the mouse inner ear in vivo, achieving 90% Cre-mediated recombination and 20% Cas9-mediated genome modification in hair cells.