药明康德AI/报道

在理解这篇由著名分子生物学家George M. Church教授发表于《科学》的重磅论文前，我们先了解一下什么是腺相关病毒（AAV）。AAV是一种单链DNA病毒，由科学家1965年在制备腺病毒时发现，因此得名腺相关病毒。腺病毒会感染多种脊椎动物，这其中也包括人类，会诱发人类的上呼吸道感染，而AAV非常特别，目前的科学界共识是它不会导致任何人类疾病，也是目前人类发现的一类结构最简单的单链DNA缺陷型病毒，正是因为其DNA结构上的缺陷，在没有辅助病毒的参与下（典型的如腺病毒、单纯疱疹病毒等），AAV无法引发病毒感染。这样的特性让AAV成为了科学家眼中最为理想的基因载体。

未经改造的天然存在野生型AAV由蛋白衣壳（capside）和长度为4.7kb的单链DNA基因组构成。蛋白衣壳由三个亚基组成，分别为VP1，VP2，和VP3。AAV基因组两端为两个“T”型的末端反向重复序列（inverted terminal repeat, ITR）。这两个ITRs是病毒DNA复制的起点和触发病毒包装的信号。AAV基因组中的rep基因编码4个与病毒复制相关的蛋白，分别为Rep78、Rep68、Rep52、和Rep40。

科学家通过改造AAV，获得了用于基因疗法的优良载体——重组腺相关病毒（rAAV）。rAAV携带的蛋白衣壳与野生型AAV几乎完全相同，然而衣壳内的基因组中编码病毒蛋白的部分完全被删除，取而代之的是治疗性转基因（transgene）。现在，AAV基因组中被保留的部分主要是编码衣壳蛋白的cap基因，以及ITRs，它起到指导基因组的复制和病毒载体组装的作用。将编码病毒蛋白的部分完全删除的优点是：一方面可以最大化重组AAV携带转基因的容量，另一方面减小体内递送转基因时产生的免疫原性和细胞毒性。但目前的rAAV依然不能满足基因疗法的需求，我们急切的需要一款功能更为强大的AAV，而这次哈佛大学（Harvard University）著名分子生物学家George M. Church教授领导研究团队联合Dyno Therapeutics公司（Dyno Therapeutics是一家将人工智能应用于基因治疗的生物技术公司）的科学家，通过结合计算机技术，成功得到了一批功能优异的AAV。

先前的研究策略集中在对cap基因的优化，使其增加递送效率的同时也就有侵染活性，研究策略限于随机突变，效果不理想。因此，研究小组对腺相关病毒2型（AAV2）衣壳中的735个氨基酸位点进行单突变，从而生成了一个包含约200,000个变体的单突变库。为了研究其功能，研究人员将这些突变体转染到小鼠中，看它们在小鼠不同器官的富集程度。比如，有些突变体特意地在肝脏富集，有些则在血液。这个现象也叫“归巢”现象。同时，他们通过巧妙的实验设计，鉴定了对应的衣壳变化，与突变位点的对应关系，建立起了一个计算机模型。

但实际设计中，单突变可能满足不了基因疗法的需求，要采用多突变位点设计，同时还要AAV2的活力。为此，他们用计算机模型预测了多位点突变的一些组合，并与随机突变组合的进行了比较，最终发现计算机设计的突变体，很多既有高的AVV2活力，又保持了其“归巢”的潜能。令人惊喜的是，研究团队还发现了隐藏在衣壳编码DNA序列中的新辅助蛋白，该蛋白可与靶细胞膜结合。