学术研究报告：哺乳动物逆转录病毒样蛋白PEG10可自主包装其mRNA并实现mRNA递送
一、研究团队与发表信息
本研究由Michael Segel（第一作者）、Blake Lash、Jingwei Song等共同完成，通讯作者为Feng Zhang（张锋）。研究团队来自美国麻省理工学院、哈佛大学Broad研究所、霍华德·休斯医学研究所等机构。论文于2021年8月20日发表于《Science》期刊，标题为“Mammalian retrovirus-like protein PEG10 packages its own mRNA and can be pseudotyped for mRNA delivery”。
二、学术背景
科学领域与动机
该研究属于基因治疗与合成生物学交叉领域。哺乳动物基因组中约8%的序列源自长末端重复（Long Terminal Repeat, LTR）逆转录转座子和逆转录病毒，这些序列在进化过程中被宿主“驯化”（domesticated），部分基因（如Gag同源蛋白）保留了病毒样功能。研究团队发现，逆转录元件衍生的蛋白PEG10（Paternally Expressed Gene 10）可自主包装其mRNA并形成病毒样颗粒（Virus-Like Particles, VLPs），这为开发低免疫原性的内源性mRNA递送平台提供了新思路。
研究目标
1. 鉴定哺乳动物Gag同源蛋白中具有mRNA包装能力的成员；
2. 解析PEG10的mRNA包装与递送机制；
3. 开发基于PEG10的模块化递送系统“SEND”（Selective Endogenous eNcapsidation for cellular Delivery），用于基因治疗。
三、研究流程与实验方法
1. Gag同源蛋白的筛选与表征
- 研究对象：通过生物信息学分析，从人类和小鼠基因组中筛选出48个（人）和102个（小鼠）Gag同源基因，重点关注含核心衣壳（Capsid, CA）结构域的蛋白。
- 实验方法：
- 体外自组装实验：在大肠杆菌中表达小鼠Gag同源蛋白（如mmPEG10、mmARC），通过尺寸排阻色谱和电子显微镜（负染TEM和冷冻电镜）验证其形成VLPs的能力。
- 分泌检测：在HEK293FT细胞中过表达HA标签的Gag同源蛋白，通过超速离心分离VLPs，Western blot检测分泌效率（图1f-g）。
2. PEG10的mRNA包装机制
- 关键发现：CRISPR激活内源性mmPEG10表达后，RNA测序显示VLPs中富集mmPEG10自身mRNA（图2b-c）。
- 功能域验证：通过缺失突变体实验（如删除核酸结合域NC或逆转录酶样域RT），证实NC域是mRNA包装的关键（图2f）。
- eCLIP技术：增强型紫外交联免疫沉淀（eCLIP）揭示PEG10结合自身mRNA的5’UTR和3’UTR特定区域（图2i）。
3. SEND系统开发
- mRNA重编程：将目标基因（如Cre重组酶） flanked with PEG10的UTR序列（mm.cargo(cre)），实现特异性包装（图3a-d）。
- 最小UTR确定：3’UTR前500 bp足以介导高效递送（图3e）。
- 假型化（Pseudotyping）：用VSV-G或内源性融合蛋白（如小鼠Syncytin A）修饰VLPs，增强细胞进入能力（图4a-b）。
4. 基因编辑应用
- 递送Cas9 mRNA：在稳定表达sgRNA的N2A细胞中，SEND递送mm.cargo(spCas9)可实现~60%的基因编辑效率（图4d）。
- 全内源性系统：结合Syncytin A假型化，实现完全基于内源元件的递送（图4h）。
四、主要结果与逻辑链条
1. PEG10的自主包装特性：实验证实PEG10优先结合并分泌自身mRNA，且依赖NC域（图2）。这一发现为后续mRNA重编程奠定基础。
2. UTR介导的模块化递送：通过嫁接PEG10 UTRs，成功将Cre和Cas9 mRNA包装至VLPs中，并实现功能递送（图3-4）。编辑效率与慢病毒载体相当，但免疫原性更低。
3. 内源性假型化验证：Syncytin A可替代VSV-G，证明SEND系统无需外源组分（图4a-b），增强了临床转化潜力。
五、研究结论与价值
科学意义
- 揭示了逆转录元件衍生的PEG10在哺乳动物细胞间通讯中的新功能，为内源性RNA递送机制提供了范例。
- 提出“驯化病毒蛋白”在基因治疗中的应用潜力，拓展了合成生物学工具库。
应用价值
- 基因治疗：SEND系统具有低免疫原性、可重复给药的优势，适用于CRISPR-Cas9递送或mRNA疫苗开发。
- 模块化平台：通过更换UTR序列和假型化蛋白，可定制化递送不同核酸药物。
六、研究亮点
1. 创新性发现：首次证明哺乳动物内源性蛋白PEG10可自主包装mRNA，并实现功能性递送。
2. 技术突破：开发eCLIP和CRISPR激活等组合技术，精准解析RNA-蛋白相互作用。
3. 转化潜力：SEND系统为基因治疗提供了全新的“内源性递送”解决方案。
七、其他价值
研究还发现PEG10在神经发育中可能通过mRNA稳定化调控基因表达（图S7f），为神经退行性疾病研究提供了新线索。数据与质粒已通过Addgene共享，促进后续研究。