通过细胞穿透肽簇对功能蛋白表面进行可逆修饰以加速胞质内输送

将活性蛋白带入活细胞内部

许多现代医学和生物学设想都依赖于把完整折叠的蛋白质送入活细胞内部，在那里它们可以作为工具、传感器或药物发挥作用。然而蛋白质体积大且易损，通常会被细胞外膜排斥。这项研究提出了一种简单且可逆的方法，可以“重新包装”各种蛋白，使其能进入细胞的水相内部——同时保持功能——甚至在更难处理的植物细胞中也能奏效。

为什么把蛋白送入细胞如此困难

细胞由膜保护，阻止大多数大分子进入。多年来，科学家尝试了许多方法来突破这一屏障。其中最有前景的一类是使用短链氨基酸——细胞穿透肽——将其他分子带入细胞。该思路的一个强力版本是利用带正电的Tat肽簇来拖拽抗体进入细胞。然而，这种方法仅对一小类蛋白有效，常常需要高剂量，有时会有毒性。蛋白在大小和整体电荷上差异很大，许多蛋白无法与Tat簇良好相互作用，因此要么滞留在细胞外、要么被困在细胞内的囊泡中，无法到达细胞内部。

给蛋白一个临时的“魔术贴”

研究人员发现，许多难以递送的蛋白可以通过在其表面添加一块小而可逆的“负电补丁”来获得帮助。该补丁是短小的带负电肽，通过二硫键这一化学连接接到蛋白上暴露的含硫位点。负电补丁强烈吸引带正电的Tat3肽簇，形成混合复合体，细胞乐于吞入这些复合体。一旦进入细胞的还原性环境，二硫键自然断裂，补丁脱落，原始蛋白以其本来的构象释放出来。通过对一系列补丁设计的系统测试，团队确定了一种名为E4D3的方案，在与Tat3的强结合和在细胞内高效释放之间取得了平衡。

递送多种蛋白，从酶到抗体

采用这一策略，作者在低微摩尔浓度下将广泛类型的蛋白递送入人类细胞。这些包括非常小的靶向肽、荧光标记蛋白、切割RNA的酶、大分子抗体以及质量高达430千道尔顿的巨大神经酶复合体。具有各类整体电荷分布的蛋白——从强酸性到强碱性——都能被导入胞质，即大多数细胞化学反应发生的流体内部。更重要的是，被递送的蛋白保持活性：一种切割RNA的酶在进入细胞后选择性地杀死了细胞，其他酶在宿主细胞内完成了可视化的变色反应，而一个结合细胞内支架的肽则点亮了活细胞中的肌动蛋白网络。

蛋白如何进入以及随后发生了什么

为了解入胞路径，团队追踪了带荧光标记的蛋白并使用针对不同摄取途径的化学阻断剂。他们发现经补丁修饰的蛋白通过简单的电荷吸引与Tat3结合，然后主要通过大吞饮作用进入细胞——该过程伴随细胞膜起皱并将周围物质吞入大口袋。进入细胞后，大多数蛋白–Tat3复合体从酸性隔室中逸出并在胞质和细胞核中扩散。相同方法在植物叶片中也获得成功——植物细胞额外有刚性的细胞壁作为障碍——这表明该方法在非常不同的细胞类型中具有稳健性。

在活细胞内绘制蛋白网络

作者还展示了一个更先进的应用：递送一个定制构建的蛋白探针，该探针将一种特定类型的“标记”酶（E2）与小型修饰蛋白泛素连接。该探针在被光激活时可以连接并捕获其配对的酶（E3连接酶），从而允许研究者通过质谱鉴定它们。利用该递送方法，他们将该探针引入活的人细胞，并在生长因子刺激下绘制出数十个E3配对蛋白，揭示了在真实生理条件下而非细胞破碎提取物中存在的详细相互作用网络。

这对未来疗法和工具意味着什么

简单来说，这项工作表明，在蛋白上添加一个小的、可去除的“电荷把手”可以使其与肽载体同乘，进入多种细胞类型，包括难以渗透的植物组织。由于该把手在细胞内会脱落，蛋白以其原始活性形式到达目的地。这种简单的“混合即可”化学方法可能会大大简化把定制蛋白作为研究工具乃至最终用于直接在细胞内起作用的治疗手段的过程，从基础细胞生物学到精准医学的工具箱都因此得以扩展。

引用: Hua, X., Guo, Y., Li, P. et al. Reversible surface modifications of functional proteins for accelerated cytosolic delivery via cell-penetrating peptide clusters. Nat Commun 17, 3341 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70054-6

关键词: 细胞内蛋白递送, 细胞穿透肽, 蛋白质工程, 大吞饮作用, 泛素信号