在一项新的研究中，来自美国马萨诸塞大学阿默斯特分校和马萨诸塞大学陈医学院的研究人员宣布他们以前所未有的清晰程度绘制了蛋白α-1抗胰蛋白酶（alpha-1 antitrypsin, AAT）的表达和成熟图谱，这是在寻求更好的基因疗法来治疗一系列疾病的过程中取得的一项重大新进展。这些结果详细说明了这种蛋白的分子折叠，将有助于开发特异性的疗法来治疗一种称为AAT缺乏症的遗传性疾病，以及更有效地治疗广泛的遗传性疾病。

相关研究结果发表在PNAS期刊上，论文标题为“Secretion of functional α1-antitrypsin is cell type dependent: Implications for intramuscular delivery for gene therapy”。

近年来，在疾病治疗方面发生了一场革命。现在很清楚，有一系列的疾病，如AAT缺乏症，是当我们自己的身体在基因水平上产生功能失调的蛋白时产生的。产生有缺陷的AAT或数量不足的AAT会导致严重的肺部和肝脏疾病。这些疾病的治疗必须通过向身体递送缺失的AAT蛋白，或者更好的方法是，通过将表达这种蛋白的完整基因拷贝导入正确的细胞DNA中，从而让身体为自身制造这种缺失的蛋白。

但是，让身体制造一种缺失的蛋白并不是一件容易的事。要做到这一点，你首先需要将正确的蛋白表达基因引入体内，通常是通过肌肉注射将它导入制造该蛋白的特定细胞中。接下来，你必须确保一旦身体开始制造它之前缺少的蛋白，该蛋白就会被正确地折叠成适当的最终形状--就AAT蛋白而言，它的形状看起来就像一个装好的捕鼠器，随时可以启动。最后，正确折叠的蛋白需要从细胞中到达身体中需要它的地方。

这是一系列极其复杂的问题，需要一个具有分子生物学、细胞生物学、蛋白折叠和基因治疗专业知识的研究团队，以及进行这一研究工作所需的尖端研究设施。论文共同作者、马萨诸塞大学阿默斯特分校生物化学与分子生物学教授Daniel Hebert说，“该项目是十多年合作的结果，涉及从实验室基础科学到临床应用的各个领域。”

制作更好的捕鼠器

这要从马萨诸塞大学陈医学院主任Terence R. Flotte说起。作为基因疗法的先驱，Flotte开发了一种使用无害的腺相关病毒（AAV）作为载体递送基因疗法的方法。Flotte表示：“我们已经完成了三项临床试验，在这些临床试验中，我们将含有正常版本AAT基因的AAV注射到肌肉中，以便在AAT缺陷的患者中实现这种蛋白的‘持续释放’。但是在此之前，我们在生化水平上还不了解AAT蛋白在肌肉内如何被处理。”

AAT蛋白的三维结构图，图片来自Frontiers in Molecular Biosciences, 2015, doi:10.3389/fmolb.2015.00020。

然而，并不是身体的所有细胞都能够制造身体所需的所有蛋白。例如，AAT蛋白最好在肝脏中制造。但是，由于大多数注射发生在肌肉中--想想你在手臂上打针，这些作者需要弄清楚如何让肌肉细胞在产生AAT蛋白时更像肝细胞，然后如何将肌肉中产生的AAT蛋白送到需要它的肺部和肝脏。

事实证明，作为这些问题的专家，Hebert在证实肌肉细胞不容易产生AAT蛋白后，协助开发了一种技术，它使用一种称为蛋白稳态调节剂（proteostasis regulator）的化学物，即伏立诺他（suberoylanilide hydroxamic acid, SAHA），将肌肉细胞中AAT蛋白的分泌增加了约50%。他说，“这是一种让肌肉承担肝脏部分工作的方法。”

然而，并非所有的蛋白都是一样的。它们的形状在决定一种蛋白如何或是否以其应有的方式发挥作用方面至关重要。蛋白如何形成特定形状的过程--称为蛋白折叠问题--一直是马萨诸塞大学阿默斯特分校生物化学与分子生物学杰出教授Lila Gierasch整个职业生涯的重点。

Gierasch说，“这些蛋白分子绝对是令人着迷的。它们看起来像小型捕鼠器，它们需要保持相对稳定--想象一下你刚刚设置的一个捕鼠器，它正在等待一只小鼠。这是一种非常特殊的形状，它必须是完全正确的，否则这种蛋白就不会以应有的方式发挥作用。”

尽管这些作者将AAT缺陷作为病例研究的重点，但是他们的研究表明，包括基因疗法和蛋白稳定调节剂在内的组合疗法可以提高基因疗法的疗效，不仅对AAT缺陷，而且对更普遍的许多遗传性疾病。

Gierasch说，“我们的最终目标是通过简单的注射治愈一种非常困难的、具有潜在破坏性的遗传疾病。这需要一个广泛的跨学科团队，利用从实验室和患者身边收集到的专业知识，才能找到答案。”

参考资料：

Daniel Hebert et al. Secretion of functional α1-antitrypsin is cell type dependent: Implications for intramuscular delivery for gene therapy. PNAS, 2022, doi:10.1073/pnas.2206103119.

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