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Jul 17, 2023

박테리오파지 T4의 디자인

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Nature Communications 14권, 기사 번호: 2928(2023) 이 기사 인용

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인간 세포에 들어가 분자 복구를 수행할 수 있는 생체분자로 프로그래밍된 인공 바이러스 벡터(AVV)를 설계하는 것은 광범위한 응용 분야를 가질 것입니다. 여기에서는 박테리오파지 T4의 잘 특성화된 구조 구성 요소를 엔지니어링하여 AVV를 구축하는 조립 라인 접근 방식을 설명합니다. 171-Kbp DNA와 수천 개의 단백질 사본을 수용할 수 있는 120 × 86 nm 캡시드 껍질로 시작하여 DNA, 단백질, RNA 및 리보핵단백질을 포함한 다양한 생체 분자 조합이 외부 및 내부에 통합됩니다. 그런 다음 나노입자는 양이온성 지질로 코팅되어 인간 세포에 효율적으로 들어갈 수 있습니다. 개념 증명으로 우리는 전체 길이 디스트로핀 유전자를 전달하거나 게놈 편집, 유전자 재조합, 유전자 교체, 유전자 발현 및 유전자 침묵을 포함하여 인간 게놈을 리모델링하기 위한 다양한 분자 작업을 수행하도록 설계된 일련의 AVV를 조립합니다. 이러한 대용량, 맞춤형, 다중화 및 올인원 파지 기반 AVV는 잠재적으로 유전자 치료법과 맞춤형 의학을 변화시킬 수 있는 나노물질의 추가 범주를 나타냅니다.

바이러스는 지구상에서 가장 풍부하고 널리 퍼져 있는 유기체입니다. 그들은 또한 가장 효율적인 생물학적 기계 중 일부입니다1,2. 바이러스는 크기가 작고 유전적 구성이 단순함에도 불구하고 에이즈, 독감, 코로나19와 같은 치명적인 감염과 세계적인 유행병을 일으킬 수 있습니다. 이는 박테리아 바이러스(박테리오파지 또는 간단히 파지)3,4의 경우 바이러스가 몇 분 정도의 빠른 시간 내에 자손을 복제하고 조립하는 효율적인 메커니즘을 진화시켰기 때문입니다. 치료 분자로 프로그래밍된 인공 바이러스 벡터(AVV)를 구축하여 효율적인 바이러스 메커니즘 중 일부를 활용할 수 있다면 이러한 바이러스는 숙주에서 복제하는 대신 유익한 복구를 수행하여 인간의 건강을 회복할 수 있습니다. 이러한 AVV는 잠재적으로 결함이 있는 유전자를 대체하고, 치료 분자를 생성하고, 암세포를 죽이는 등의 작업을 수행할 수 있습니다5,6,7,8,9,10. 수년에 걸친 많은 시도에도 불구하고6,11 AVV 개발은 초기 단계에 머물고 있습니다.

자연 인간 바이러스, ~5Kbp 크기의 단일 가닥 DNA 게놈을 가진 아데노 관련 바이러스(AAV) 및 ~10Kbp 크기의 단일 가닥 RNA 게놈을 가진 렌티바이러스는 치료용 DNA 또는 RNA를 게놈의 일부로 전달하도록 조작되었습니다12,13 ,14. 그러나 이러한 바이러스 벡터에는 한계가 있습니다. 그들은 기껏해야 하나 또는 두 개의 치료 유전자를 전달할 수 있으며 복잡한 복구에 필수적인 추가 치료 분자를 통합하는 데 어려움을 겪습니다. 인간 세포에 대한 광범위한 감염성, 기존 면역성 및 숙주 게놈으로의 통합 가능성과 같은 안전성 문제는 추가적인 심각한 문제입니다14,15.

여기서는 파지 T4를 사용하는 AVV 플랫폼을 설명합니다. T4는 Straboviridae 계통에 속하며 Escherichia coli 박테리아를 감염시킵니다16,17. 감염 효율이 100%에 가깝고18 주기당 ~20~30분의 속도로 복제되는19 T4는 알려진 가장 효율적인 바이러스 중 하나입니다. 이는 주요 캡시드 단백질 gp23*(*는 절단된 성숙 형태를 나타냄)의 930개 분자 또는 155개의 육량체 캡소머로 조립된 대형 120 × 86nm 장형 정이십면체 캡시드(머리), 11개 위치에 gp24*의 55개 사본 또는 11개 오량체를 포함합니다. 12개의 꼭지점과 독특한 12번째 꼭지점에 있는 문맥 단백질 gp20의 12개 복사본(그림 1a-c)20,21,22. 포털 정점은 바이러스 게놈이 부착된 ATP 구동 오량체 분자 모터에 의해 캡시드로 운반되는 ~35Å 중앙 채널이 있는 링 구조입니다(그림 1c)23,24,25. ~171Kbp 선형 dsDNA에 해당하는 한 머리 전체의 게놈이 포장된 후 모터가 해리되고 목 단백질이 조립된 다음 꼬리와 꼬리 섬유가 조립되어 감염성 비리온을 생성합니다.

파지 T4 헤드(캡시드)44의 구조 모델. Pentameric gp24 정점은 빨간색으로 표시됩니다. b 확대된 캡소머는 주요 캡시드 단백질 gp23(진한 녹색), Soc 삼량체(연한 녹색) 및 Hoc 섬유(청록색)44의 6량체 배열을 보여줍니다. c gp20 포털 dodecamer (PDB 3JA7) (갈색) 및 pentameric gp17 DNA 포장 모터 (PDB 3CPE) (노란색)로 구성된 확대 DNA 포장 기계 구조 모델. d 준3겹 축에 조립된 870개의 Soc 분자는 T4 capsid21(PDB 5VF3) 주위에 분자 케이지를 형성합니다. e 155개의 Hoc 섬유가 캡소머34(PDB 3SHS)의 중심에서 나옵니다. f, g 야생형(WT) T4 캡시드22(3.4Å, PDB 7VS5)(f) 및 초산성 9DE-T4 캡시드(3.9Å)(g)의 분자 표면은 정전기 전위에 따라 색상이 지정됩니다. 색상 범위는 -5 kT/e- 전위에 해당하는 빨간색부터 +5 kT/e- 전위에 해당하는 파란색까지입니다. WT-T4 캡시드는 순 음전하가 6,829개이고 9DE-T4 캡시드는 순 음전하가 15,199개입니다. h 내부 공간에 외부 단백질과 DNA가 포장된 머리의 도식.