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普林斯顿团队开发蛋白质生成AI模型:降低免疫原性,还能提高活性

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AI 已经能够设计出自然界中未曾出现过的蛋白质,但这并不意味着人体愿意接受它们。

一条氨基酸序列,即使能够折叠成预期结构、完成指定功能,也可能在进入人体后引发免疫反应。对于需要反复给药的治疗,这尤其棘手。人体产生的抗药抗体可能加速药物清除,或中和其活性,使原本有效的治疗难以持续。在制药公司工作的一年里,姜凯议注意到了这一矛盾。

“在有些科研工作中,可能是先开发出一项技术,再思考它能解决什么问题。但在药企,情况恰恰相反。免疫原性的问题早已存在,而且迫切需要解决。”姜凯议在接受 DeepTech 采访时说。

过去,研究人员可以改造天然蛋白质,也可以通过各种方式降低外源蛋白带来的免疫风险。如今,生成式模型能够在更大的序列空间中探索新设计。但蛋白质的结构与功能越容易被设计,免疫原性这个缺口就越值得关注。能否让 AI 在生成序列时,就考虑人体免疫系统可能作出的反应?

10 月 16 日,美国普林斯顿大学生物工程系助理教授姜凯议(Kaiyi Jiang)及其合作者发表了题为《利用生成式扩散模型实现蛋白质去免疫原性设计》(Protein Deimmunization with a Generative Diffusion Model)的研究论文,提出了一种名为 MESSI 的生成式蛋白质设计模型,旨在保留蛋白质结构与功能的同时,降低其潜在免疫原性。


图|Biorxiv 封面图(来源:Biorxiv)

研究团队随后在三种蛋白质中验证了设计结果的功能。一些候选序列的预测表位数量降至零,同时保留了活性,部分变体的功能还有所改善。

当蛋白质设计开始考虑免疫风险

通过改变氨基酸序列赋予蛋白质新功能,并不是 AI 时代才出现的想法,合成生物学一直致力于让生物系统变得可设计、可调控。

早在 1993 年,Frances Arnold 就开展了酶的定向进化研究,通过反复突变和筛选获得性能改善的酶。2003 年,David Baker 团队设计出一种名为 Top7 的蛋白质。与过去主要改造天然蛋白质的研究不同,研究人员首先在计算机中设计出目标结构,再寻找能够折叠成这一结构的氨基酸序列,并通过实验验证了设计结果。这项研究表明,科学家不仅能够改造自然界已有的蛋白质,也能够从头设计具有全新结构的蛋白质。

2022 年,David Baker 团队等研究人员在 Science 发表 ProteinMPNN,利用深度学习,根据给定的蛋白质三维骨架生成氨基酸序列。这类任务被称为“逆向折叠”:通常的结构预测是从序列出发,判断蛋白质会形成什么结构;逆向折叠则从目标结构出发,寻找能够形成这一结构的序列。


图|ProteinMPNN 架构示意图(来源:Science)

姜凯议在采访中将 ProteinMPNN 称为现代蛋白质设计中不可或缺的工具。MESSI 同样建立在逆向折叠的基础上,只是进一步加入免疫风险这一设计目标。“它不光要折叠回去。”姜凯议解释,在原本的逆向折叠任务之上,模型还要加入另一个维度。这意味着研究人员不再只是等序列设计完成后筛选低风险候选,而是尝试在生成过程中引导模型避开高风险选择。

MESSI 关注的是治疗性蛋白质引发免疫反应的一条重要途径。蛋白质进入人体后,可能被分解成短肽,其中一部分会通过 MHC-II 分子呈递给免疫细胞,进而引发免疫反应,甚至促使人体产生抗药抗体。因此,减少蛋白质中可能被 MHC-II 呈递的片段,有望降低其免疫原性风险。

为了实现这一目标,MESSI 采用了两个相互配合的技术设计:生成蛋白质序列的离散扩散模型,以及引导生成过程的 Lookahead–Feedback 机制。


图|MESSI 架构示意图(来源:论文图 1)

首先,是蛋白质序列的生成。与一次性生成完整序列不同,扩散模型通过多个步骤逐渐完成设计。蛋白质由不同种类的氨基酸组成,每个位置对应一个离散的氨基酸类别。模型从尚未确定的序列状态出发,结合目标三维结构,逐步预测、补全氨基酸,最终得到完整的蛋白质序列。这种逐步生成的方式,为研究人员在设计过程中加入额外要求提供了机会。

但仅仅能够生成序列,还不足以解决免疫原性问题。问题在于,蛋白质的潜在免疫表位取决于其序列中的氨基酸组合,而在扩散生成的中间阶段,许多位置尚未确定。如果等到整条序列生成完毕,再判断其免疫风险,就很难利用这一结果及时调整此前的设计。

这就需要 MESSI 的第二个关键设计:Lookahead–Feedback,即“前瞻—反馈”机制。

在预设的生成节点,MESSI 会根据当前的氨基酸概率分布,采样得到若干条完整的候选序列。虽然这些序列还不是最终结果,但它们可以帮助模型提前判断,如果沿着当前方向继续生成,哪些位置可能形成容易被免疫系统识别的片段。随后,免疫风险预测器对这些候选序列进行评估,利用前一步获得的风险信息,引导后续的序列生成。一方面,保留风险较低的候选序列中有利的氨基酸选择;另一方面,将与较高局部风险有关的位置重新遮蔽,让模型在后续步骤中重新预测这些位置的氨基酸。

姜凯议解释,模型进入下一个生成节点时,已经参考了上一个节点识别出的潜在高免疫原性区域,因此能够有针对性地调整后续设计。

设计出来了,然后呢?

团队选择了三类功能不同的蛋白质来进行检验:负责发光反应的荧光素酶、识别靶标的 PD-1 结合蛋白,以及催化尿酸分解的尿酸氧化酶。

姜凯议表示,团队希望避免只挑选模型表现出色的个别案例,以免夸大其适用范围。因此,他们选择了功能各异的蛋白质进行验证,以考察 MESSI 能否在不同类型的蛋白质上发挥作用,而非仅适用于某一特定体系。

实验结果显示,MESSI 设计的小型荧光素酶变体在大幅改变氨基酸序列后,仍保留了发光活性;PD-1 结合蛋白变体不仅保留了靶标结合能力,部分设计的结合亲和力还有所提升。

在尿酸氧化酶实验中,团队还发现,部分设计变体在降低预测免疫风险的同时,仍能保持甚至提高酶活性,其中表现最好的变体活性达到原始蛋白质的约 2.7 倍。


(来源:论文图 5)

三类蛋白质的实验验证,说明了重要的一点:MESSI 有望在降低蛋白质预测免疫风险的同时,保留其原有功能。但另一个问题尚未回答:它们进入真实免疫环境后,是否确实会引发更弱的免疫反应?

“最终还是要证明,这些蛋白质在人体内是否真的具有更低的免疫原性。”姜凯议谈及下一步研究时表示。对于 MESSI 而言,现阶段的计算预测与功能实验虽然取得了积极结果,但距离真正验证其在人体内的免疫原性,还有关键的一步要走。

尽管距离临床应用还有很长的路要走,MESSI 仍让姜凯议看到了另一种药物设计的可能:根据不同人的 HLA 类型,设计更具针对性的治疗性蛋白质。HLA(人类白细胞抗原)是人体免疫系统识别和呈递抗原的重要分子,具有高度多样性。不同个体的 HLA 类型存在差异,能够呈递的抗原片段也不尽相同。这意味着,同一种蛋白质药物,在不同人身上可能面临不同的免疫识别风险。

姜凯议设想,未来或许可以通过基因测序获取患者的 HLA 信息,再据此设计更适合他们的蛋白质药物;也可以针对不同 HLA 类型的人群,开发相应的药物版本。“我很期望能看到,我们真的能定向地生成不同的药物。”他说,希望未来不同 HLA 类型的患者都能从这类技术中受益。

让技术回应真实存在的问题

这一探索也延续了姜凯议此前的研究思路。2022 年,他参与开发的 RNA 传感系统 RADARS 发表于 Nature Biotechnology,能够利用 RNA 编辑机制感知细胞内的特定信号,并调控蛋白质表达。随后,他参与开发的 EVOLVEpro 将蛋白质语言模型与实验数据相结合,通过模型预测和实验反馈不断优化蛋白质性能。


(来源:Science)

尽管这些研究的技术路线各不相同,但背后有着相似的思考:如何获取更多生物学数据,更深入地理解复杂的生命系统?又如何利用这些数据建立模型,将对生命系统的认识转化为预测和设计能力?

“我们之所以开发新的生物技术,是因为这些技术能够帮助我们收集更多数据,更深入地观察生物系统如何运作。”姜凯议说,“而这些数据,又能为后续的建模研究提供支持。”此前在药企的工作经历,则为这条研究路径增加了另一个维度:技术不仅要帮助人们理解生物系统,还应该回应现实中尚未解决的需求。对于 MESSI 而言,这个需求就是降低蛋白质药物的潜在免疫风险。

从 RADARS 到 EVOLVEpro,再到 MESSI,姜凯议尝试从不同方向推动生物系统变得更加可理解、可预测,也更加可设计。

不过,能够设计出蛋白质,并不意味着它就能成为药物。从计算机生成的氨基酸序列,到实验室中具有活性的蛋白质,再到真正安全、有效的治疗手段,每一步都需要经过验证。AI 正在拓展蛋白质设计的可能性,而这些设计能否最终造福患者,仍有待生物学实验与临床研究给出答案。

参考资料

1.https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.10.09.758136v1

2.https://doi.org/10.1126/science.add2187

3.https://doi.org/10.1038/s41587-022-01534-4.https://doi.org/10.1126/science.adr6006

运营/排版:何晨龙

注:封面/首图由 AI 辅助生成

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