张锋领导设计的新CRISPR酶蛋白能逃避免疫系统

2025年1月3日，美国总统拜登宣布了最新一批获得美国国家科学奖章和国家技术与创新奖章的人员名单，这是美国在科学和技术领域杰出成就与领导力方面的最高荣誉。

　　

基于CRISPR的基因组编辑疗法的核心成分是被称为核酸酶的细菌蛋白质，它可以刺激人体不必要的免疫反应，增加副作用的机会，并使这些疗法的效果可能降低。

麻省理工学院Broad研究所、哈佛大学和赛勒斯生物技术公司的研究人员现在已经设计了两种CRISPR核酸酶，Cas9和Cas12，以掩盖它们对免疫系统的影响。该团队确定了每个核酸酶上触发免疫系统的蛋白质序列，并使用计算建模来设计逃避免疫识别的新版本。与小鼠的标准核酸酶相比，工程酶具有相似的基因编辑效率和降低的免疫反应。

今天发表在《Nature Communications》上的这一发现可能有助于为更安全、更有效的基因疗法铺平道路。该研究由Broad研究所核心成员、麻省理工学院麦戈文脑研究所研究员张锋领导。

“随着CRISPR疗法进入临床，越来越需要确保这些工具尽可能安全，而这项工作解决了这一挑战的一个方面，”张锋说。

研究开始时，张实验室的研究生Rumya Raghavan和张实验室的博士后学者Mirco Julian Friedrich是该研究的共同第一作者。

Raghavan说：“人们已经知道Cas9引起免疫反应有一段时间了，但我们想要确定蛋白质的哪些部分被免疫系统识别，然后设计蛋白质来去除这些部分，同时保持其功能。”

Friedrich补充说：“我们的目标是利用这些信息不仅创造一种更安全的治疗方法，而且还可能创造一种更有效的治疗方法，因为它在发挥作用之前不会被免疫系统消除。”

寻找免疫触发点

许多基于CRISPR的疗法使用来自细菌的核酸酶。通过每天接触这些细菌，大约80%的人对这些蛋白质具有预先存在的免疫力，但科学家们并不知道免疫系统识别的核酸酶的哪些部分。

为了找到答案，张锋团队使用了一种专门的质谱法来鉴定和分析免疫细胞识别的Cas9和Cas12蛋白片段。对于两种核酸酶——来自化脓性链球菌的Cas9和来自金黄色葡萄球菌的Cas12——中的每一种，他们都确定了三个短序列，大约8个氨基酸长，可以引起免疫反应。然后，他们与赛勒斯生物技术公司（Cyrus Biotechnology）合作。赛勒斯生物技术公司是一家由华盛顿大学生物化学家David Baker共同创立的公司，该公司开发基于结构的计算工具来设计逃避免疫反应的蛋白质。在张锋的团队确定了Cas9和Cas12中的免疫原性序列后，Cyrus使用这些计算方法来设计不包括免疫触发序列的核酸酶版本。

张锋的实验室使用预测软件验证了新的核酸酶不太可能引发免疫反应。接下来，研究小组根据这些预测设计了一组新的核酸酶，并在人类细胞和小鼠中测试了最有希望的候选核酸酶，这些核酸酶经过基因改造，可以携带人类免疫系统的关键成分。在这两种情况下，他们发现，与原始核酸酶相比，工程酶导致的免疫反应显著降低，但切割DNA的效率仍然相同。

张锋团队说，最低免疫原性核酸酶只是更安全的基因疗法的一部分。在未来，他们希望他们的方法也能帮助科学家设计出逃避免疫系统的运载工具。