科学家揭示免疫细胞功能的“Rosetta Stone”

研究人员利用CRISPR-Cas9系统的一种变体来激活人类免疫细胞中的基因。

　　

CRISPR基因组编辑已经成为删除或改变DNA序列和研究结果影响的强大工具。最近的一种变异，被称为CRISPRa，允许研究人员强制激活——而不是编辑——人类细胞中的基因。现在，格莱斯顿研究所和加州大学旧金山分校(UCSF)的研究人员已经将CRISPRa系统应用于人类免疫细胞。这种新工具为他们提供了一种比以前更彻底、更快速的方法来发现在免疫细胞生物学中发挥作用的基因。

“这是一个令人兴奋的突破，将加速免疫疗法的研究，”医学博士Alex Marson说，“这些CRISPRa实验创造了一个Rosetta Stone，有助于理解哪些基因对免疫细胞的每种功能都很重要。反过来，这将使我们对如何改变免疫细胞的基因有新的认识，这样它们就可以成为癌症和自身免疫疾病的治疗方法。”

这项研究发表在《科学》(Science)杂志上，是首次在人类原代细胞中成功大规模使用CRISPRa，这些细胞是直接从人体内分离出来的细胞。

由Alex Marson领导的这项新研究的发现，将加速改进CAR-T细胞疗法和其他癌症、感染和自身免疫疾病治疗方法的设计。

科学家们激活了不同细胞中基因组中的每个基因，使他们能够同时测试近2万个基因。这使他们能够快速了解哪些基因提供了最有力的杠杆来重新编程细胞功能的规则，从而最终导致更强大的免疫疗法。

一种新的CRISPR

CRISPR-Cas9基因组编辑系统通常依赖于Cas9蛋白质，通常被称为“分子剪刀”，在基因组所需位置剪切DNA。

近年来，马森和他的同事使用CRISPR的靶向剪子有选择地从各种类型的人类免疫细胞中移除(或“敲除”)基因，包括调节性T细胞和单核细胞。他们的研究结果已经开始阐明如何改造免疫细胞，使其更有效地对抗感染、炎症或癌症。但他的团队知道，他们仍然遗漏了故事的一部分。

“敲除基因对于了解免疫细胞功能的基本原理很有帮助，但只敲除基因的方法可能会漏掉一些真正关键的基因，”马森实验室的博士后学者、新论文的共同第一作者扎卡里·斯坦哈特博士说。

特别是，敲除一个基因并不能告诉你，如果你让这个基因更加活跃，会发生什么。

这个研究团队找到了一种方法来改造T细胞，使其具有非常精确的特性。

因此，研究人员转向CRISPRa，即CRISPR激活的缩写。在CRISPRa中，Cas9蛋白被改变，因此它不再能够切割DNA。相反，科学家可以在Cas9上附加一种激活剂——一种分子“开启”开关，这样当它与基因结合时，就会激活它。或者，他们可以在Cas9上附加一个抑制因子——一个“关闭”开关——来关闭基因，从而获得类似于典型的基因敲除方法(称为CRISPRi，即CRISPR干扰)的结果。

T细胞基因定位

T细胞是白细胞的一种，是人体免疫的关键介质之一;它们不仅针对入侵的病原体，而且还指示其他免疫细胞增加或减少它们对入侵者或癌细胞的反应。这种信息传递是通过产生称为细胞因子的信号分子来实现的。不同类型的T细胞产生不同的细胞因子组合，不同的细胞因子或细胞因子组合对免疫应答有不同的影响。

马森说，控制T细胞细胞因子，将为在各种不同的疾病环境中重塑整个免疫反应提供新的机会。但研究人员对哪些基因控制哪些细胞因子的确切了解还不完全。

在这项新研究中，马森、斯坦哈特和共同第一作者拉尔夫·施密特(Ralf Schmidt)医学博士与他们的同事合作，使CRISPRa和CRISPRi在初级T细胞中高效工作——这是以前从未做过的事情。

这项新研究的第一作者Zachary Steinhart(左)和Ralf Schmidt(右)基本上开发了一份T细胞的操作手册。

“这种将CRISPRa或CRISPRi机制送入细胞的效率提高，对于实现全基因组实验和加速发现至关重要，”马森说。

然后，研究小组利用这些方法激活或灭活了直接从多个健康志愿者身上分离出来的人类T细胞中的近20,000个基因。他们对产生的细胞进行细胞因子产生变化的筛选，并锁定数百个作为关键细胞因子调节因子的基因，包括一些以前从未在敲除筛选中发现的基因。

“我们的工作证明了这项技术在人类T细胞中的精确度和可扩展性，”施密特说。“我们很快就学会了可以打开哪些基因来调节某些细胞因子水平的规则。”

更好的T细胞疗法

为了治疗某些类型的癌症，临床医生越来越多地使用CAR-T细胞疗法，在这种疗法中，T细胞从患者体内取出，在实验室中设计成靶向癌细胞，然后再注入。例如，通过改变T细胞的细胞因子的产生来增强T细胞对抗癌症的能力，可以使CAR-T细胞疗法更加有效。

“我们的新数据为我们提供了一份非常丰富的T细胞指导手册，”马森说。“现在我们有了一种基本的分子语言，我们可以用它来设计一个T细胞，使其具有非常精确的特性。”

马森的实验室现在正在研究他们筛选出来的一些个体基因，并进一步利用CRISPRa和CRISPRi来发现控制人类免疫细胞其他关键特征的基因。

”与Gladstone-UCSF基因免疫学研究所的合作,创新的基因组学研究所,加州大学旧金山分校生活治疗计划,我们的团队现在希望使用我们的新说明书创建合成基因程序可以CRISPR-engineered为下一代细胞免疫疗法治疗疾病的时候,“马森说。