病毒蛋白酶启动的裂解性细胞死亡作为一种通用抗病毒 mRNA 疗法

尽管Gasdermin（GSDM）介导的细胞焦亡是一种强效的免疫效应器，但其抗病毒潜力在很大程度上尚未被开发。在此，我们受GSDM模块化结构和mRNA疫苗临床成功的启发，提出了一种名为“病毒蛋白酶启动的裂解性细胞死亡（VID）”的通用mRNA治疗平台。通过改造Gasdermin-D（GSDMD）使其携带病毒蛋白酶特异性切割基序，我们生成了VID激活器（VIDA），能够选择性地在病毒感染细胞中触发裂解性细胞死亡。以甲型肝炎病毒（HAV）为模型，脂质纳米颗粒（LNP）包封的VIDA mRNA在体内消除了病毒复制和排泄，并通过一种协调的“杀死并警报”机制减轻了肝损伤，该机制能激发旁观者免疫。该平台的通用性进一步在寨卡病毒（ZIKV）和新冠病毒（SARS-CoV-2）上得到了验证。利用生成式人工智能（AI）框架，我们针对新冠病毒主蛋白酶设计了全新的切割基序，从而获得了具有卓越抗病毒效力的优化型VIDA。总而言之，我们的研究确立了VIDA mRNA作为一种应对多样病毒威胁的多功能、广泛应用策略。

图1. VIDA的设计及其在HAV感染细胞中选择性诱导裂解性细胞死亡

(A) 通过将GSDMD的天然caspase-1切割位点替换为HAV 3C蛋白酶识别基序（LRTQ↓SF）来构建VIDA的示意图，并展示了作为阴性对照的 scrambled 突变体（VIDAmut）。(B-D) 在HEK293T细胞中共表达VIDA和HAV 3C蛋白酶可触发典型的焦亡形态（细胞肿胀）（B），并导致显著的LDH释放和ATP耗竭（C），而对照VIDAmut或失活蛋白酶突变体（C172A）则无此效应（C-D）。(E) 蛋白质印迹实验证实3C蛋白酶能有效切割全长VIDA，释放其N-末端片段（VIDA-NT）。(F-G) 在Huh7.5.1细胞中，VIDA的异源表达显著抑制了HAV VP1蛋白的积累（F）并大幅降低了HAV基因组RNA水平（G）。(H-J) 活细胞成像（H）、LDH释放测定（I）及透射电镜（J）结果共同表明，VIDA仅在HAV感染的细胞中选择性诱导以膜肿胀和破裂为特征的裂解性细胞死亡。

图2. VIDA在体外和体内的稳健表达及良好的安全性

(A) 体内安全性评估实验流程示意图。(B-C) 转录组分析显示，与对照组相比，VIDA表达仅引起极少数基因差异表达，且焦亡相关基因组基本无变化（B-C），表明其在未感染细胞中功能惰性。(D) 静脉注射VIDA mRNA-LNP后，肝脏中可检测到稳健的VIDA蛋白表达。(E-H) VIDA处理的小鼠在整个观察期内体重稳定（E），肝脏组织学未见炎症或坏死（F），血清ALT和AST水平维持在生理范围（G），血常规指标也无异常（H），证明了其良好的单次给药安全性。

图3. LNP递送的VIDA mRNA在HAV感染小鼠中的强效抗病毒和保肝作用

(A) HAV感染及VIDA治疗的体内实验设计示意图。(B-D) 与安慰剂组相比，VIDA治疗显著降低了小鼠粪便中的HAV病毒载量（约100倍）（B），肝脏中的病毒RNA负荷也显著减少（C），RNAscope原位杂交显示肝组织中HAV RNA阳性细胞几乎完全消失（D）。(E-G) VIDA治疗组小鼠的血清ALT和AST水平维持在生理安全阈值内（E），肝组织未见明显病理异常（F），组织病理学评分显著低于安慰剂组（G）。(H) 免疫荧光染色显示，表达VIDA的肝细胞中，细胞死亡（cleaved caspase-3阳性）严格局限于同时表达HAV VP1的感染细胞，证实了其清除的精准性。

图4. VIDA mRNA在肝脏免疫细胞中引发协调的抗病毒“免疫警报”反应并增强T细胞活性

(A) 肝脏组织 bulk RNA-seq 显示VIDA处理显著富集了病原识别、抗原呈递、干扰素产生及T细胞活化等抗病毒通路。(B-C) 单细胞测序（scRNA-seq）鉴定了13种主要肝脏细胞群体（B），VIDA治疗后T细胞比例增加，而包括肝细胞在内的多种其他细胞比例下降（C）。(D-E) 基因富集和GSVA分析表明，VIDA激活了多种免疫细胞（尤其T、NK、中性粒细胞）内的干扰素信号及抗原处理通路。(F) CellChat分析显示VIDA大幅增加了肝脏内细胞间的配体-受体相互作用，T细胞和树突状细胞成为新的通讯枢纽。(G-H) T细胞亚群分析进一步证实，VIDA促进了CD8+效应T细胞和CD4+辅助T细胞亚群的扩增，并增强了其细胞因子分泌、迁移和细胞毒功能。

图5. 针对ZIKV的VIDA设计及其在体外和体内的选择性抗病毒活性验证

(A) 靶向ZIKV NS2B3蛋白酶的VIDA及其突变体（VIDAmut）构建示意图。(B-E) 体外切割实验及细胞共转染实验证实，ZIKV NS2B3蛋白酶能特异性切割VIDA（B-C），导致LDH释放增加（D）和N-末端片段产生（E），而突变体无此效应。(F-I) 在ZIKV感染的HeLa细胞中，VIDA表达显著降低了病毒RNA（F）和E蛋白水平（G），并特异性在感染细胞中诱导了细胞死亡（H-I）。(J-N) 在IFNAR-1阻断的C57BL/6J小鼠模型中（J），VIDA mRNA治疗显著降低了肝脏病毒载量（K），组织学（L）和透射电镜（M）观察到了典型的焦亡形态学改变，并诱导了血清中多种干扰素的产生（N）。

图6. 针对SARS-CoV-2的VIDA设计与功能性评估

(A) 靶向SARS-CoV-2 NSP5主蛋白酶的VIDA及其突变体构建示意图。(B-E) 体外切割和细胞共转染实验证实，NSP5能特异性切割VIDA（B），并在共表达细胞中诱导典型的细胞死亡形态（C）、LDH释放（D）以及产生切割片段（E）。(F-G) 在表达ACE2的HeLa细胞中，VIDA的转染能显著抑制SARS-CoV-2的N蛋白表达（F）和病毒RNA复制（G），展示了其抗新冠病毒潜力。

图7. AI引导的进化生成具有增强抗病毒活性的蛋白酶响应型VIDA

(A) EVE（进化模型）框架及序列设计工作流程图。该流程利用变分自编码器学习天然序列规律，生成大量候选序列，并通过进化评分和聚类筛选出多样性且进化可行的候选者进行实验验证。(B) AI引导的VIDA探索工作流程概览，展示了从天然序列学习到生成、聚类筛选及体外活性评估的整个过程。(C-J) 从AI生成的30个候选基序中，筛选出了多个切割速率（C-D）和细胞杀伤活性（E-F）优于天然基序（LQ）的变体（如D3、B6等）。(K-L) 细胞活性测试证实，筛选出的AI优化VIDA变体（如D3）在体外对SARS-CoV-2病毒的抑制效果显著优于基于天然序列的VIDA。

全文总结

这项研究开创性地提出了一种名为VIDA的通用抗病毒mRNA策略，其核心在于对Gasdermin-D蛋白进行工程化改造，使其成为仅在病毒蛋白酶存在时才会激活的“细胞自杀开关”，从而精准清除被病毒感染的细胞，同时避免对周围组织的损伤。通过针对甲型肝炎病毒、寨卡病毒和新冠病毒的多个模型验证，该平台不仅在体内外展现了强效的病毒清除能力和良好的安全性，还能通过诱导感染细胞焦亡释放信号，激活周围免疫细胞，建立起一种协调的“杀死并警报”型抗病毒免疫应答。尤为重要的是，研究者利用生成式人工智能模型对蛋白酶识别序列进行了超越自然进化的优化设计，获得了切割效率和抗病毒活性更强的变体，充分展示了该技术平台在面对病毒变异和未来新发传染病威胁时的巨大灵活性、可扩展性和临床转化潜力。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cell.2026.06.031