ИИ помог создать «цинковые пальцы» с низкой иммуногенностью для генной терапии
Исследователи из Стэнфорда использовали машинное обучение для повышения эффективности и безопасности целевой клеточной и генной терапии, потенциально используя собственные белки организма. Работа опубликована в Cell Systems.
Большинство болезней человека связаны с нарушением работы белков. Введение терапевтического белка для исправления этой работы было бы идеальным решением. Однако такие белки, особенно используемые в клеточных терапиях (например, CAR-T и CRISPR), могут вызывать иммунный ответ.
«Мы задались вопросом: почему бы не создавать методы лечения, которые изначально избегают иммунных реакций? С развитием вычислительных инструментов мы теперь можем предсказывать, какие изменения в белке могут вызвать иммунный ответ, и продвигать только те конструкции, которые с меньшей вероятностью будут отвергнуты организмом», — пояснил старший автор статьи, Сяоцзин Гао.
Создание «цинковых пальцев»
Чтобы снизить иммунные реакции, команда лаборатории Гао выбрала в качестве основы белки, уже существующие в организме человека — цинковые пальцы. Это одни из самых распространенных белков в эукариотических организмах, регулирующие экспрессию генов. Их способность связываться с ДНК человека делает их хорошей альтернативой CRISPR, который происходит из бактерий и с большей вероятностью вызывает иммунный ответ.
«Самая значительная часть нашей работы — это прогресс в создании ДНК-связывающих доменов цинковых пальцев, которые могут нацеливаться на любой выбранный геномный сайт, сохраняя при этом низкий прогнозируемый риск провоцирования иммунного ответа», — сказал ведущий автор статьи, аспирант Эрик Вольсберг.
Естественные цинковые пальцы связаны с определенной последовательностью в геноме. Чтобы перенастроить их для терапии, команда использовала первый алгоритм для предсказания новых мишеней ДНК (например, гена, вызывающего болезнь), к которым могли бы привязываться комбинации цинковых пальцев. Их собрали в массивы, создав новые, «неестественные» соединения между отдельными единицами.
«Эти соединения неестественны, они не встречаются в нашем организме. Это означало, что иммунная система может распознать их как чужеродные и отреагировать», — отметил Гао.
Оценка иммуногенности
Для решения этой проблемы команда применила второй алгоритм машинного обучения — MARIA, разработанный соавторами работы. MARIA был создан для предсказания иммуногенности белковых соединений при разработке вакцин от рака. Исследователи использовали его «в обратном порядке»: чтобы отсеять конструкции, которые с меньшей вероятностью будут обнаружены иммунной системой. Если MARIA предсказывала низкую иммуногенность, дизайн считался безопасным.
Хотя комбинация двух алгоритмов давала функциональные массивы цинковых пальцев, их эффективность была ограничена.
Повышение функциональности
Чтобы сохранить низкую иммуногенность и одновременно улучшить функциональность, команда задействовала третий алгоритм — мощную языковую модель для белков ESM-IF1. Обученная на миллионах природных белковых последовательностей, она действовала как опытный редактор, предлагая, какие точечные генетические изменения («однобуквенные» мутации) повысят эффективность цинкового пальца.
«Раньше исследователи пробовали случайные мутации, чтобы улучшить цинковые пальцы, но это было медленно и неэффективно — и также несовместимо с фильтрацией MARIA. С этой языковой моделью мы могли сосредоточиться на целенаправленных изменениях», — сказал Гао.
После предложения потенциальных мутаций ESM-IF1 команда снова пропускала модифицированные последовательности через MARIA, чтобы убедиться, что изменения не привносят новых иммуногенных свойств. «Мы продвигали только те мутации, которые прошли оба теста — высокую функциональность и низкую иммуногенность», — пояснил Гао.
Результаты
Команда сравнила оригинальные белки цинковых пальцев с версиями, содержащими мутации, предложенные ИИ, с помощью компьютерного моделирования и лабораторных тестов. Оригинальные белки увеличивали продукцию человеческих генов в 2–4 раза, в то время как улучшенные с помощью ИИ версии повышали этот показатель дополнительно в 2–6 раз в лабораторных тестах.
«Мы вывели конструирование цинковых пальцев на новый уровень, одновременно сохраняя функцию и снижая иммуногенность», — заявил Гао.
Исследователи планируют развивать этот метод, стремясь создать сквозной алгоритм, который в будущем сможет помочь в разработке генных терапий на основе цинковых пальцев для людей.