推荐一篇发表在NCB上的论文，题目为“A programmable protease-based protein secretion platform for therapeutic applications”，通讯作者是来自华东师范大学的叶海峰教授，叶海峰教授课题组主要从事合成生物学与生物医学工程领域的研究。
细胞治疗是一种新兴的治疗方式，该方法是通过生物工程技术获取具有特定功能的细胞，注入人体从而达到治疗某种疾病的目的。通过编程生物治疗细胞，使其能够感知用户定义的外部调节信号并做出适当响应，从而精确控制治疗药物的定位、治疗时间以及治疗剂量，为癌症等多种疾病的有效治疗提供了巨大的希望。在这项工作中，作者开发了一个精确调节的系统，直接控制蛋白质的分泌，能够在合适的时间范围内更快地分泌治疗蛋白。在真核细胞中，蛋白质可以被运输到不同的细胞器。蛋白质的定位和分泌通常依赖于短的氨基酸序列组成的分选信号。分泌蛋白通常被转运到内质网（ER），在高尔基体（GA）中进行处理，并在质膜上分泌出来。有些蛋白质，如内质网膜驻留蛋白的C端通常包含一个回收信号（–KKXX–COOH，其中X代表任意氨基酸），这个信号被识别后，此蛋白将会保留在内质网中。基于此，作者设计了一种基于蛋白酶编程的细胞分泌平台（PASS），作者将在感兴趣蛋白（POI）C端融合furin内切酶剪切序列（Fcs）、CD4跨膜域（TM）、TEV切割序列-KKXX（POI-Fcs-TM-TEVcs-KKXX）。此外，作者针对该融合蛋白设计了split的TEV酶，在诱导分泌前，由于存在ER回收信号KKXX，工程化的蛋白被储存在ER腔中。当接收到外部调控信号后，TEV酶恢复催化活性后，会剪切KKXX信号，导致POI从ER转运到GA，进一步furin内切酶会去除跨膜结构域TM，然后通过天然的分泌途径释放到细胞外空间。
为了精确控制蛋白质分泌，首先作者开发了一种化学诱导的蛋白质分泌系统（chemPASS）。脱落酸（ABA）、格拉瑞韦（GZV）、达诺瑞韦（DNV）分别能够诱导ABI/PYL1、NS3a/GNCR1和NS3a/DNCR2的二聚化，作者将split的TEV酶与他们分别融合表达，在小分子ABA、GZV或DNV存在的情况下，split的TEVp片段靠近，促进TEVp活性的组装和功能重组，从而通过去除KKRN回收信号触发蛋白质分泌。接下来，作者构建了一种肿瘤抗原触发的蛋白质分泌系统（antigenPASS）。在这个系统中，作者利用合成的notch受体作为人工调控元件，当受体和配体特异性结合，ADAM蛋白酶介导胞外结构域(ECD)剪切、γ分泌酶介导的跨膜结构域(TMD)切割并释放胞内域调控元件。因此作者将抗原识别结构域融合到notch受体胞外结构域，TEVp被锚定notch受体的胞内结构域上，无法接触到ER腔中的POI融合蛋白上的切割位点。当被相应的抗原刺激后，notch受体发生剪切，释放TEVp，使KKXX回收信号被去除，进而触发蛋白质分泌。为实现光控调节蛋白质分泌，作者基于PASS概念开发了一种光遗传学控制的快速蛋白质分泌系统（optoPASS）。因此，作者利用一个蓝光依赖的二聚化系统，包括两个名为pMag和nMag的光敏感性蛋白质。作者将两种光敏感性蛋白分别与split 的TEVp融合，在暴露于蓝光时，split的TEVp迅速重组，从而快速恢复其催化活性，进而导致蛋白质分泌。作者将基于PASS的概念开发的三种变体应用于治疗领域。在chemPASS应用中，作者证明了通过小分子药物可以诱导胰岛素分泌，能够在几分钟内逆转糖尿病小鼠的高血糖状态。在antigenPASS的应用中，细胞能够识别肿瘤抗原并分泌穿孔素，靶向细胞凋亡。OptoPASS的应用中，在几分钟内经光诱导可以快速分泌治疗性多肽，用于治疗高血压和炎症性疼痛，具有良好的治疗效果。
总之，作者开发了一种用于细胞治疗的基于蛋白酶编程的细胞分泌平台，它可以以可控的方式快速输送治疗性蛋白质，促进细胞治疗方法的开发。
本文作者：ZJ
责任编辑：WFZ
原文链接: https://www.nature.com/articles/s41589-023-01433-z
文章引用: https://doi.org/10.1038/s41589-023-01433-z
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