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细胞穿膜肽合成
穿透细胞膜进入细胞内是许多作用靶点在细胞内的生物大分子发挥作用的先决条件，然而生物膜的生物屏障作用阻止了许多高分子物质进入细胞内，从而很大程度地限制了这些物质在治疗领域的应用。因此，如何引导这些物质穿透细胞膜是一个迫切需要解决的问题，目前介导生物大分子穿透细胞膜的方法主要包括细胞穿透肽（cell penetrating peptides，CPPs）、脂质体、腺病毒、纳米颗粒、影细胞等，而CPPs是一类以非受体依赖方式，非经典内吞方式直接穿过细胞膜进入细胞的多肽，它们的长度一般不超过30个氨基酸且富含碱性氨基酸，氨基酸序列通常带正电荷。
1型人免疫缺陷病毒转录激活因子TAT（human immunodeficiency virus-1 transcription activator， HIV-1 TAT）是第一个被发现的细胞穿透肽，它凭借一种无毒的、高效的方式进入细胞。
细胞穿透肽（cell penetrating peptides，CPPs）的一个重要特点是可以携带多种不同大小和性质的生物活性物质进入细胞，包括小分子化合物、染料、多肽、多肽核酸（peptide nucleo acid, PNA）、蛋白质、质粒DNA、siRNA、200nm的脂质体、噬菌体颗粒和超顺磁性粒子等，这一性质为其成为靶向药物的良好载体提供了可能。CPPs作为载体的优势在于低毒性和无细胞类型的限制，尽管CPPs可输送不同类型的物质进入细胞，但其实际应用多集中于寡肽、蛋白质、寡聚核苷（oligonucleotides，ONs)或类似物的细胞转运。
- CPP–oligonucleotides
- 跨膜机制
- CPPs序列
- HIV-1 TAT
CPPs 多肽合成修饰:
CPP作为有效的基因转运载体，其与寡聚核苷的连接是以非共价形式连接。而非共价连接方法比较简单，仅有赖于CPP和外源物质按一定比例混合。非共价复合物通过胞浆膜后，在细胞内部解离，释放物质到达细胞靶位。
简单的混合方法:
Example: For MPG mediated gene delivery, peptide carrier/DNA complexes were formed in DMEM or phosphate-buffered saline (500 ml of DMEM containing 100 ng of DNA complexed with MPG at a charge ratio of 5:1) and incubated for 30 min at 37°C. Cells grown to 60% confluence were then overlaid with these preformed complexes.
CPPs与寡聚核苷形成的纳米复合物在血清蛋白存在的环境下也不会分离，与目前市售的阳离子型的脂质体相比，CPPs有更高的细胞转染效率。
许多新型的CPPs被证实凭借一种无毒的方式转染各种类型细胞，并在胞内产生明显的生物学反应。体内实验表明，CPPs介导的寡聚核苷可有效地抑制荷瘤小鼠的肿瘤生长，而且不会激发体内的免疫反应，彰显了CPP-ON复合物在基因治疗领域的希望和巨大潜力。其优势在于入胞速度快，转导效率高，生理状态下稳定、无毒、无免疫性等。
表1: CPP介导siRNA（非共价连接）的应用与效果
CPP |
细胞类型 |
效果 |
参考文献 |
MPG
ac-GALFLGFLGAAGSTMGAWSQPKKKRKV-cys
The cysteamide stabilises the carrier/DNA particle, as similarly reported for gene delivery mediated by cysteine-containing peptides. |
HeLa,Cos-7
HS68, NIH-3T3 |
Cellular uptake of single- and double-stranded ONs
50 nmol/l siRNA→85% and 78% luciferase
downregulation |
Simeoni et al. |
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HS68 |
100 nmol/l siRNA→60% GAPDH downregulation |
Simeoni et al. |
MPGΔNLS
ac-GALFLGFLGAAGSTMGAWSQPKSKRKV-cys |
HeLa, Cos-7 |
50 nmol/l siRNA→95% and 90% luciferase
downregulation |
Simeoni et al. |
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Stearyl-R8
st-RRRRRRRR-NH2
Polyarginine peptides, which are very efficient CPPs have been used for siRNA delivery into cells.
Stearylated octaarginine (Stearyl-R8), are able to encapsulate and shuttle nucleic acids through cell membranes without the need to covalently attach the nucleic acid to the arginine-containing carrier peptide. |
EGFP-expressing
hippocampal neurons |
16 nmol/l siRNA→>50% reduction in EGFP activity |
Tönges et al. |
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EB1
LIKLWSHLIHIWFQNRRLKWKKK-amide |
HeLa, HepG2 |
Luciferase downregulation |
Lundberg et al. |
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Tat-DRBD
GRKKRRQRRRPQ-DRBD |
H1299, HUVEC, Jurkat T,
hESC |
>90% reduction in GAPDH mRNA level |
Eguchi et al. |
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PF6
St-AGYLLGK[kk2sa4qn4]INLKALAALAKKIL-NH2
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Hepatoma, MEF,
HUVEC, mESC |
Significant downregulation of HPRT1 |
El-Andaloussi
et al. |
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不同的细胞穿透肽（CPP）跨膜机制不同，一个细胞穿透肽（CPP）的具体机制有赖于几个参数，如分子大小（携带物质）、温度、细胞类型和细胞内外的稳定性等。细胞穿透肽（CPP）进入细胞的具体机制目前还不清楚，比较流行的推测包括以下三种：
- A: 倒置胶粒模型（inverted micelle model），CPPs通过细胞膜上磷脂分子的移动形成倒置胶粒结构，而进入胞浆。
- B: 直接穿透，即孔隙结构模型 (pore formation model)，CPPs在细胞膜上组成跨膜的孔隙结构而进入胞浆 。
- C: 内吞方式进行细胞摄取。
来源: Cell-penetrating peptides and their therapeutic applications, Victoria Sebbage, BioscienceHorizons, Volume 2, Number 1, March 2009.
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自从细胞穿透肽Tat的发现，细胞穿透肽的数量也在不断地增加。以下表格列举了部份已知的细胞穿透肽（CPPs），以及它们的来源和详细的序列信息。
| 名称 |
来源 |
序列 |
| Tat (48-60) |
HIV-1 protein |
GRKKRRQRRRPPQQ |
| Oligoarginine |
Tat derivative |
Rn |
| plsl |
Igl-1 homeodomain |
RVIRVWFQNKRCKDKK |
| Transportan |
Galanin-mastoparan |
GWTLNSAGYLLGKINLKALAALAKKIL |
| P-alpha |
gp41-SV40 |
GALFLAFLAAALSLMGLWSQPKKKRRV |
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Stearyl-R8 |
Stearly-RRRRRRRR-amide
(Stearyl = CH3(CH2)16CO-) |
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细胞穿透肽 HIV TAT
细胞穿透肽（如HIV TAT）可以以直接穿透和内吞两种方式进入细胞。HIV TAT或者简单的多聚精氨酸可被设计作为有效的药物载体，但CPP（如HIV TAT）是如何实现胞膜转运，目前仍不清楚。
简单的HIV TAT是如何促进象直接穿透和内吞作用的入胞机制的呢？来自Gerard Wong实验室的研究人员研究了在不同的条件下，HIV TAT是如何与细胞质膜、细胞骨架、特异的胞膜受体相互作用，从而诱导了多重转运途径。查看来自Gerard Wong实验室的论文：http://bit.ly/zQrH6t.
有趣的是，TAT在不同条件下可与同一序列发生多种不同的反应，因而与胞膜、细胞骨架、特异受体相互作用可产生多种转运途径。
CPP的跨膜机制与多肽序列存在很敏感的关系，如果在一个纯亲水性的CPP中增加一个疏水残基，就能彻底地改变其转运机制，例如，最简单的CPP原型-多聚精氨基（polyR），可以诱导细胞膜上形成跨膜的孔隙结构。疏水氨基酸通过插入胞膜来形成正曲率，精氨酸可同时形成正曲率和负曲率，赖氨酸只能沿一个方向形成负曲率，这就意味着在精氨酸与赖氨酸/疏水物之间存在补偿关系。
如果疏水性有助于形成负高斯曲率（Gaussian curvature），那为什么TAT肽中的疏水含量相对较低呢？其原因是CPPs都是利用尽可能少的疏水基去形成saddle-splay curvature。序列上的差异很可能只会在膜上诱导短暂的类似孔隙的跨膜结构，从而形成对CPP来说更短的孔隙寿命。由于CPP的氨基酸组成不同，TAT肽在有或无受体情况下都可以介导细胞内吞作用。 |
参考文献:
Simeoni, F, Morris, MC, Heitz, F and Divita, G (2003). Insight into the mechanism of the peptide-based gene delivery system MPG: implications for delivery of siRNA into mammalian cells. Nucleic Acids Res 31: 2717–2724.
Tönges, L, Lingor, P, Egle, R, Dietz, GP, Fahr, A and Bähr, M (2006). Stearylated
octaarginine and artificial virus-like particles for transfection of siRNA into primary rat
neurons. RNA 12: 1431–1438.
Morris, MC, Vidal, P, Chaloin, L, Heitz, F and Divita, G (1997). A new peptide vector
for efficient delivery of oligonucleotides into mammalian cells. Nucleic Acids Res 25:
2730–2736.
Andaloussi, SE, Lehto, T, Mäger, I, Rosenthal-Aizman, K, Oprea, II, Simonson, OE et al.
(2011). Design of a peptide-based vector, PepFect6, for efficient delivery of siRNA in
cell culture and systemically in vivo. Nucleic Acids Res 39: 3972–3987.
Eguchi, A, Meade, BR, Chang, YC, Fredrickson, CT, Willert, K, Puri, N et al. (2009).
Efficient siRNA delivery into primary cells by a peptide transduction domain-dsRNA
binding domain fusion protein. Nat Biotechnol 27: 567–571.
Lundberg, P, El-Andaloussi, S, Sütlü, T, Johansson, H and Langel, Ű (2007). Delivery
of short interfering RNA using endosomolytic cell-penetrating peptides. FASEB J 21:
2664–2671.
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