基于融合肽的生物大分子传递系统

随着基因组编辑等创新技术的最新发展，将DNA、RNA和蛋白质引入植物细胞已成为植物科学的重要组成部分。融合肽作为一种新的生物大分子传递方法，具有多个功能域。功能域包括用于穿过细胞膜的细胞穿透肽、用于生物大分子结合的聚阳离子肽和细胞器靶向肽。

基于融合肽的大分子递送系统能够将比肽大得多的 DNA、RNA和蛋白质等有效引入植物细胞，同时保持生物大分子的活性。与现有的输送方法相比，该系统的优点在于它不需要任何特殊设备，并且可以在各种各样的装置上轻松快速地进行。此外，作为融合肽系统的一个特征，将细胞器靶向肽应用于融合肽可以将生物大分子选择性递送至叶绿体或线粒体。

近期，日本一研究团队针对融合肽系统进行研究，研发出了一种基于融合肽的生物大分子传递系统的代表性方法和生物大分子传递结果的一个例子，并将这一研究成果发布在权威杂志《生物材料科学与工程 》。

在传统意义上，生物大分子向植物细胞的传递是基于通过引入DNA进行的遗传转化，这是分子生物学和生物技术的重要工具。农杆菌介导转化和生物转化是植物核转化的主要方法，生物转化也是叶绿体转化的主要方法。这些方法除了高效且成熟之外,他们在许多情况下也适用于瞬时表达。而当前农杆菌介导的转化大都是一些传统的转化方法，这些方法在植物研究中发挥重要的作用，但也存在一些局限性。而基于融合肽的递送系统可以通过将生物大分子(包括 DNA、RNA 和蛋白质)递送到多种植物物种的某种类型的细胞器中来补充这些传统方法。

以融合肽为载体的生物大分子给药系统是近年来发展起来的一种以融合肽为载体的生物大分子给药系统。融合肽由多个功能域组成，即细胞穿透肽(CPPs)、多阳离子肽和细胞器靶向肽，并根据货物的类型和靶点进行组合。CPPs是短的氨基酸序列，一般在5到30个残基之间，可以穿透细胞膜。根据其物理和化学性质，CPPs 可分为三类，阳离子型、两亲性和疏水性 CPPs。聚阳离子肽仅由带正电荷的氨基酸、精氨酸、赖氨酸和组氨酸组成，并通过离子相互作用与带负电荷的生物大分子(如DNA和RNA)相互作用形成复合物。细胞器靶向肽是一种短的氨基酸序列，通常位于核编码蛋白的N端，在特定的细胞器(如线粒体和叶绿体)中起作用。

在基于融合肽的递送系统中，当与 CPP 结合使用时，聚阳离子肽的特性有助于通过压缩生物大分子和维持 CPP 功能来有效递送。在该系统中，带负电荷的货物(DNA，RNA，或蛋白质)通过离子相互作用与由聚阳离子结构域和CPP(或细胞器靶向肽、MTP或CTP)结构域组成的融合肽复合。在融合肽与DNA的复合物中，聚阳离子区域将朝向复合物中心聚集的DNA，CPP区域将显示在复合物表面。

这种融合肽与DNA之间通过多阳离子区域的相互作用使得CPP-DNA复合物的形成不会降低CPP的功能。此外，该体系还具有作为生物大分子载体的优点;它易于设计和合成，细胞毒性低，渗透效率高，化学和物理稳定性好、扛冻干等优点。凭借这些特性，融合肽不仅可以应用于动物细胞，还可以作为载体应用于植物细胞，传递各种比肽本身大得多的生物大分子，同时保持其活性。

使用该系统，可以将 RNA 递送至植物细胞，通过 RNA 干扰提供基因表达并产生编码的荧光蛋白。对于蛋白质，融合肽能够将荧光蛋白或荧光标记的蛋白质输送到拟南芥的完整叶细胞中，其分子量范围为 27 至 150 kDa 。此外，通过将细胞器靶向肽与聚阳离子区域相结合，该系统选择性地将 DNA 递送至特定细胞器，例如叶绿体和线粒体。

迄今为止，融合肽法尚未实现稳定的转化，可能是由于其传递效率不足。这一限制可以通过去除细胞壁来克服，细胞壁是生物大分子进入植物细胞的屏障。结合组织培养和合适的选择系统，融合肽方法可以为稳定转化提供一种有潜力的DNA传递方法。基于融合肽的递送系统可能成为补充植物生理学和生物技术传统转化方法的新工具。

参考文献：Fusion Peptide-Based Biomacromolecule Delivery System for Plant Cells，Kenta Watanabe, Masaki Odahara, Takaaki Miyamoto, and Keiji Numata,ACS Biomaterials Science & EngineeringArticle ASAP, DOI: 10.1021/acsbiomaterials.1c00227 .