刘如谦/董民团队有望开创全新治疗模式
“美容毒素”结合诺奖技术：
提到肉毒杆菌毒素（BOTOX），人们首先想到的可能是用来去除皱纹和瘦脸的医学美容疗法。不过这款神经毒素除了在美容方面的作用以外，在治疗慢性偏头痛和肌肉痉挛等疾病症状方面都有重要的作用。BOTOX问市30多年来，已经斩获了FDA批准的十多项适应症。
近日，顶尖科学期刊《科学》杂志发表了哈佛大学和Broad研究所的刘如谦（David R. Liu）团队与哈佛大学医学院和波士顿儿童医院的董民团队的一项研究。联合研究团队成功改变了肉毒杆菌毒素蛋白酶的特异性，让它们可能成为治疗神经退行性疾病、降低炎症，或者抗癌的全新治疗模式。他们使用的技术就是在2018年获得诺贝尔化学奖的酶定向进化（directed evolution）技术。
肉毒杆菌毒素：大自然孕育的“奇迹毒素”
肉毒杆菌毒素是肉毒杆菌（Clostridium botulinum）分泌的一种神经毒素。它是最强的神经毒素之一，能够通过阻断神经信号传递给肌肉，导致肌肉麻痹。误食包含肉毒杆菌的食物可能造成严重甚至致命的食物中毒。不过，这种暂时麻痹肌肉的作用也被科学家用来治疗成人和儿童因为多种原因导致的肌肉痉挛和疼痛。而肉毒杆菌毒素注射在消除皱纹方面的表现让它成为美容方面知名的疗法。
肉毒杆菌毒素本身是一种蛋白酶，它能够通过切割负责神经递质囊泡与细胞膜融合的蛋白，阻止神经末梢中包含的神经递质乙酰胆碱的释放，而乙酰胆碱是神经末梢“告诉”肌肉进行收缩的化学信号。因此，肉毒杆菌毒素通过阻断这一信号传导，导致肌肉无法收缩而出现瘫痪。
肉毒杆菌毒素作为医疗手段具有多种理想的药物特征，它的效力非常强，很低剂量就能够产生强力效果，而且它能够进入到细胞内部，对细胞内的靶点进行切割。研究人员的想法是，如果能够改变肉毒杆菌毒素的特异性，让它不去切割与神经肌肉信号传导相关的蛋白，而是切割与其它疾病相关的蛋白，就能开发出一种创新的治疗方法。
要改变肉毒杆菌毒素蛋白酶的特异性就要对蛋白酶进行改造，那么用什么方法能够快速生成具有全新特异性的蛋白酶呢？
定向进化：在实验室中进行的“自然选择”
2018年，诺贝尔基金会宣布将诺贝尔化学奖授予Frances H. Arnold教授、George P. Smith教授、以及Gregory P. Winter爵士，以表彰他们在酶定向进化和噬菌体展示（phage display）方面的突破性贡献。这一诺奖技术也成为改进肉毒杆菌毒素蛋白酶特异性的有力工具。
定向进化的原理是在表达特定蛋白的基因组中随机引入突变，然后用快速的检测手段筛选特征得到改善的蛋白。在这些蛋白的基础上进一步引入基因突变，进行下一轮的筛选。如同大自然的“自然选择”一样，这种在实验室里的定向选择也能够通过一轮轮的筛选，找出具有理想功能的蛋白。
刘如谦团队开发的噬菌体辅助持续进化（phage assisted continuous evolution, PACE）系统将噬菌体的繁殖能力与特定蛋白的活性联系起来，如果蛋白活性在引入基因突变后得到增强，那么携带这种蛋白的噬菌体就会增殖更快，从而在筛选过程中被保留下来。这一系统可以非常迅速地完成多轮次的突变引入和定向进化过程。在2020年发表在Nature Protocol上的论文中，研究人员表示这一系统可以在两周的时间内完成超过100轮的进化过程。
在近日《科学》杂志上发表的研究中，科学家们利用PACE系统，成功改造了肉毒杆菌毒素的特异性。他们对三种不同肉毒杆菌毒素家族中的4种蛋白酶进行了改造。研究结果显示，通过定向进化不但可以让这四种蛋白酶不再与原先的天然底物相结合，而且可以“教会”它们特异性切割名为PTEN的蛋白。最高特异性改变幅度超过1000万倍。PTEN是一种抑癌基因，不过在神经元中，它的表达会抑制受损神经的再生。通过切割PTEN，这些改造后的肉毒杆菌毒素可能成为促进神经再生的潜在疗法。
刘如谦教授在基因编辑和单碱基编辑领域已经享有盛名，他是Editas Medicine，Beam Therapeutics，和Prime Medicine等致力于通过改变基因组开发创新疗法的初创公司的联合创始人。他表示，虽然基因编辑在治疗多种遗传性疾病方面具有很大潜力，但是有些急性疾病，例如中风之后产生的神经损伤，并不是由于遗传风险造成的。这项技术可以发展为“编辑蛋白质组”的手段。理论上，它可以用于切割与阿尔茨海默病相关的tau蛋白，或者与多种癌症相关的Ras蛋白和Myc蛋白。
诚然，将这一科学突变转化为治疗疾病的创新疗法还有很长的路要走。其中一个需要克服的重要障碍是人体的免疫系统会将这些经过改造的蛋白酶识别为外来蛋白，从而对它们产生免疫排斥反应。因此，它们可能无法成为治疗慢性疾病的长期选择。不过，刘如谦团队也在探索对人体中其它蛋白酶进行类似的改造，以及降低蛋白酶免疫原性的方法。业界专家表示，如果进一步的开发取得成功，这可能创建一种全新的治疗模式。
