AI助力CRISPR筛选：揭示银屑病治疗新靶点

Biohub团队实施了他们认为的首次全基因组CRISPR研究，针对人类成人初级皮肤细胞，随后利用人工智能模型挖掘银屑病中被忽视的药物靶点。

他们发现了一个出人意料的候选者：催产素的受体。催产素是一种与分娩相关的激素，有时被称为“爱情激素”，因为它还在社会联系中发挥作用。

根据《自然通讯》的报道，当研究团队配制了含有抑制催产素受体的化合物的局部凝胶，以及另一个有希望的靶点后，这两种凝胶均能有效减轻小鼠的银屑病炎症，效果与许多患者使用的注射药物相当。

“在人工智能的引导下，这种规模的CRISPR筛选为我们提供了该领域前所未有的答案，以及一种惊人有效的潜在疗法，”芝加哥生物工程总裁兼生物中心负责人Shana O. Kelley表示。在芝加哥，科学家们正在解码导致多种疾病的炎症过程。Kelley与Biohub功能性免疫基因组学小组的首席科学家Abdalla M. Abdrabou共同领导了这项研究。

“我们认为这是一个蓝图。我们在银屑病中发现的具体靶点令人兴奋，但方法本身是我们最引以为傲的。这是一种寻找治疗方法的通用策略，而我们这些研究疾病的人甚至不知道要去寻找。”Biohub功能性免疫基因组学小组的首席科学家Abdalla M. Abdrabou说。

全球约有1.25亿人患有银屑病。对于轻微病例，局部治疗如类固醇药膏通常能有效控制症状。但对于许多中重度患者，全身治疗是必要的，且所有治疗都有利弊。必须注射针对免疫信号蛋白的“生物制剂”，每年可能花费数万美元，并存在广泛免疫抑制的风险。最近批准的药片疗法可能减轻注射负担，但药物仍在全身循环，影响皮肤以外的免疫途径。

一直缺少的是一种在银屑病发病的皮肤细胞中局部作用的方法，针对足够特异的疾病途径，而不广泛扰乱免疫功能。要做到这一点，需要了解角质形成细胞的生物学特性——最外层皮肤细胞是银屑病的原发部位——这是该领域缺乏的细节，因为这些细胞一直顽固地抵制使用CRISPR进行大规模基因筛查。

研究中用于将遗传物质送入细胞的标准化学物质即使在低浓度下也会对角质形成细胞产生毒性，使得在这些细胞中进行全基因组CRISPR筛选不切实际。Biohub团队通过开发一种方法解决了这个问题，该方法利用离心机产生的力而非化学物质，将CRISPR传递到细胞中。

利用约77000个引导RNA的文库，研究人员在两个人类供体的角质形成细胞中逐一敲除了约19000个基因，并测量每个基因如何影响IL17RA，这是一种帮助皮肤细胞对银屑病炎症信号做出反应的蛋白质。基因测序揭示了哪些基因敲除改变了细胞中IL17RA的丰度，从而产生了皮肤细胞中IL17RA调节因子的全基因组图谱，这些调节因子可能与疾病最相关。

全基因组筛选产生数千个结果，其中大多数代表已知的生物学。为了找到真正新颖的基因——之前没有人将其与疾病联系起来的机制——研究小组使用了他们建立的一种名为VirtualCRISPR的工具，这是一种基于已发表的科学文献训练的大型语言模型。对于每个基因，该模型被问及现有的研究是否能预测它会成为热门基因。与CRISPR筛选密切相关但在文献中很少或没有受到关注的基因被优先考虑进一步研究，希望它们可能指向银屑病的新疾病生物学。

两种药物开发似乎非常实用的基因清除了这一障碍。第一个是ALOX5，它编码一种酶，这种酶被FDA批准的哮喘药物zileuton靶向。第二种是编码催产素受体的OXTR，它与银屑病或任何形式的皮肤炎症没有确定的联系。一种被称为cligosiban的化合物可以抑制OXTR的作用。

该团队在Biohub发明的三维皮肤培养物中验证了这两个靶标，该培养物复制了真实人类皮肤的分层结构，并发现zileuton直接重新编程角质细胞代谢——抑制炎症和增殖基因程序——没有任何免疫细胞存在，这表明药物作用于皮肤细胞本身而不是通过继发性免疫效应。

当科学家们将zileuton和cligosiban配制成局部凝胶，并将它们与一种常用的注射抗IL17RA药物一起在银屑病小鼠模型中进行测试时，两种凝胶在5天内都降低了疾病的严重程度。在一周内，两者都取得了与注射药物相当的效果：皮肤恢复了正常厚度，免疫细胞信号转向抗炎状态。cligosiban还产生了最广泛的皮肤修复，这表明OXTR阻断可能解决慢性银屑病潜在的“屏障功能障碍”，而不仅仅是炎症症状。

由于zileuton和cligosiban靶向角化细胞特异性途径，在整体免疫功能中没有作用，局部给药应该局部起作用，而不像目前的全身治疗那样产生广泛的免疫抑制。而且这些化合物是安全的：zileuton的安全性是在数十年的哮喘使用中建立起来的，OXTR拮抗剂（包括那些用于延迟早产的药物）也已经建立了人体安全记录，这可能会加速OXTR阻断剂在皮肤病学中的临床研究。

“这项工作体现了Biohub在寻找新疗法中破译炎症生物学的方法，”Kelley说。“将人工智能与复杂的实验技术相结合，加速了疾病研究的整个过程，并将有助于更快地为患者提供针对银屑病和其他疾病的新疗法。”

参考文献

AI-guided CRISPR screening reveals therapeutic targets in psoriasis