劉如謙／董民團隊有望開創全新治療模式

　　“美容毒素”結合諾獎技術：

　　提到肉毒桿菌毒素（BOTOX），人們首先想到的可能是用來去除皺紋和瘦臉的醫學美容療法。不過這款神經毒素除了在美容方面的作用以外，在治療慢性偏頭痛和肌肉痙攣等疾病癥狀方面都有重要的作用。BOTOX問市30多年來，已經斬獲了FDA批準的十多項適應癥。

　　近日，頂尖科學期刊《科學》雜志發表了哈佛大學和Broad研究所的劉如謙（David R. Liu）團隊與哈佛大學醫學院和波士頓兒童醫院的董民團隊的一項研究。聯合研究團隊成功改變了肉毒桿菌毒素蛋白酶的特異性，讓它們可能成為治療神經退行性疾病、降低炎癥，或者抗癌的全新治療模式。他們使用的技術就是在2018年獲得諾貝爾化學獎的酶定向進化（directed evolution）技術。

　　肉毒桿菌毒素：大自然孕育的“奇跡毒素”

　　肉毒桿菌毒素是肉毒桿菌（Clostridium botulinum）分泌的一種神經毒素。它是最強的神經毒素之一，能夠通過阻斷神經信號傳遞給肌肉，導致肌肉麻痹。誤食包含肉毒桿菌的食物可能造成嚴重甚至致命的食物中毒。不過，這種暫時麻痹肌肉的作用也被科學家用來治療成人和兒童因為多種原因導致的肌肉痙攣和疼痛。而肉毒桿菌毒素注射在消除皺紋方面的表現讓它成為美容方面知名的療法。

　　肉毒桿菌毒素本身是一種蛋白酶，它能夠通過切割負責神經遞質囊泡與細胞膜融合的蛋白，阻止神經末梢中包含的神經遞質乙酰膽堿的釋放，而乙酰膽堿是神經末梢“告訴”肌肉進行收縮的化學信號。因此，肉毒桿菌毒素通過阻斷這一信號傳導，導致肌肉無法收縮而出現癱瘓。

　　肉毒桿菌毒素作為醫療手段具有多種理想的藥物特征，它的效力非常強，很低劑量就能夠產生強力效果，而且它能夠進入到細胞內部，對細胞內的靶點進行切割。研究人員的想法是，如果能夠改變肉毒桿菌毒素的特異性，讓它不去切割與神經肌肉信號傳導相關的蛋白，而是切割與其它疾病相關的蛋白，就能開發出一種創新的治療方法。

　　要改變肉毒桿菌毒素蛋白酶的特異性就要對蛋白酶進行改造，那么用什么方法能夠快速生成具有全新特異性的蛋白酶呢？

　　定向進化：在實驗室中進行的“自然選擇”

　　2018年，諾貝爾基金會宣布將諾貝爾化學獎授予Frances H. Arnold教授、George P. Smith教授、以及Gregory P. Winter爵士，以表彰他們在酶定向進化和噬菌體展示（phage display）方面的突破性貢獻。這一諾獎技術也成為改進肉毒桿菌毒素蛋白酶特異性的有力工具。

　　定向進化的原理是在表達特定蛋白的基因組中隨機引入突變，然后用快速的檢測手段篩選特征得到改善的蛋白。在這些蛋白的基礎上進一步引入基因突變，進行下一輪的篩選。如同大自然的“自然選擇”一樣，這種在實驗室里的定向選擇也能夠通過一輪輪的篩選，找出具有理想功能的蛋白。

　　劉如謙團隊開發的噬菌體輔助持續進化（phage assisted continuous evolution, PACE）系統將噬菌體的繁殖能力與特定蛋白的活性聯系起來，如果蛋白活性在引入基因突變后得到增強，那么攜帶這種蛋白的噬菌體就會增殖更快，從而在篩選過程中被保留下來。這一系統可以非常迅速地完成多輪次的突變引入和定向進化過程。在2020年發表在Nature Protocol上的論文中，研究人員表示這一系統可以在兩周的時間內完成超過100輪的進化過程。

　　在近日《科學》雜志上發表的研究中，科學家們利用PACE系統，成功改造了肉毒桿菌毒素的特異性。他們對三種不同肉毒桿菌毒素家族中的4種蛋白酶進行了改造。研究結果顯示，通過定向進化不但可以讓這四種蛋白酶不再與原先的天然底物相結合，而且可以“教會”它們特異性切割名為PTEN的蛋白。最高特異性改變幅度超過1000萬倍。PTEN是一種抑癌基因，不過在神經元中，它的表達會抑制受損神經的再生。通過切割PTEN，這些改造后的肉毒桿菌毒素可能成為促進神經再生的潛在療法。

　　劉如謙教授在基因編輯和單堿基編輯領域已經享有盛名，他是Editas Medicine，Beam Therapeutics，和Prime Medicine等致力于通過改變基因組開發創新療法的初創公司的聯合創始人。他表示，雖然基因編輯在治療多種遺傳性疾病方面具有很大潛力，但是有些急性疾病，例如中風之后產生的神經損傷，并不是由于遺傳風險造成的。這項技術可以發展為“編輯蛋白質組”的手段。理論上，它可以用于切割與阿爾茨海默病相關的tau蛋白，或者與多種癌癥相關的Ras蛋白和Myc蛋白。

　　誠然，將這一科學突變轉化為治療疾病的創新療法還有很長的路要走。其中一個需要克服的重要障礙是人體的免疫系統會將這些經過改造的蛋白酶識別為外來蛋白，從而對它們產生免疫排斥反應。因此，它們可能無法成為治療慢性疾病的長期選擇。不過，劉如謙團隊也在探索對人體中其它蛋白酶進行類似的改造，以及降低蛋白酶免疫原性的方法。業界專家表示，如果進一步的開發取得成功，這可能創建一種全新的治療模式。