Cell | 任俊明等报道高通量设计合成细胞因子的新技术

细胞因子是一种分泌型的强效免疫调节蛋白，可以调控一系列先天性和获得性免疫反应以维持机体健康。细胞因子受体以不同表达量广泛表达于各种免疫细胞表面，通过诱导受体二聚化或寡聚化，每种细胞因子能激活或使相应免疫细胞发生定向分化，进而发挥各自不同的功能【1】。细胞因子的多效性严重限制其在免疫治疗中的功能发挥，例如IL-2 能同时激活调节T细胞和CD8⁺ 效应T细胞，活化的调节T细胞却会抑制效应T细胞，阻碍效应T细胞的高度激活【2】。因此，开发具有选择性的新型细胞因子对免疫治疗具有重要意义。

2022年3月23日，来自斯坦福大学的K Christopher Garcia实验室在Cell上以Article发表了文章Facile Discovery of Surrogate Cytokine Agonists，报道了一种高通量设计合成细胞因子的新技术。

作者通过将蛋白工程和纳米抗体技术结合【3】，首次突破大部分细胞因子的单结构域特征，高通量设计了一系列双结构域的合成细胞因子，发现这些具有全新蛋白序列的合成因子可诱导受体以各种几何结构发生异源二聚化，产生不同的免疫学功能。

图1 使用基于纳米抗体的蛋白工程将细胞因子受体异源二聚化的新方法

首先，作者通过免疫骆驼制备了分别靶向多种不同细胞因子受体胞外区域的纳米抗体。利用蛋白工程将两个不同纳米抗体融合表达，按(1)IL-2Rβ和common gamma chain (γc)、（2）IFNAR1和IFNAR2以及（3）IL-2Rβ和IL-10Rβ三种不同组合，制备了136个蛋白的双特异抗体文库。经过高通量磷酸化流式细胞术筛选，分别得到三大类合成细胞因子，IL-2合成因子、IFN合成因子和IL-2Rβ-IL-10Rβ非天然因子。以人类外周血中的原代CD4⁺, CD8⁺ T细胞，自然杀伤细胞等为研究对象，发现IL-2合成因子激活的不同程度的JAK-STAT，ERK和Akt信号会引起与之相应的T细胞分化阶段，例如记忆性T细胞，效应T细胞等。这种高通量设计产生了一大类各层次信号和功能的IL-2合成因子。IFN合成因子具有完整的抗新冠病毒和仙台病毒功能，在不影响干扰素诱导基因（ISG）表达量的情况下，却降低了约90%炎症因子的分泌。因此是一类低细胞因子风暴风险的抗病毒分子。此外，作者利用这一技术创造了一类自然界不存在的细胞因子，IL-2Rβ-IL-10Rβ，能特异激活JAK1-STAT5信号通路，具有选择性活化CD8⁺ 记忆T细胞和自然杀伤细胞的功能（图1）。

人类细胞表面有上千个受体蛋白【4】，在不进行任何基因改造的前提下，此技术有潜力应用到对任何细胞表面受体信号通路的调控，为大规模开发大分子药物开辟了新途径。

斯坦福大学的Michelle Yen博士、任俊明博士以及Qingxiang Liu博士为该研究论文的共同第一作者， K Christopher Garcia教授为通讯作者。上海洛启生物万亚坤博士提供了部分本研究所用的纳米抗体。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.02.025

1. Berraondo P, et al. Cytokines in clinical cancer immunotherapy. Br J Cancer 120(1):6-15. (2019)

2. Ren J, et al. Interleukin-2 superkines by computational design. Proc Natl Acad Sci USA 119(12):e2117401119. (2022)

3. Muyldermans S, et al. Nanobodies: natural single-domain antibodies. Annu Rev Biochem 82:775-97. (2013)

4. Wojtowicz W, et al. A Human IgSF Cell-Surface Interactome Reveals a Complex Network of Protein-Protein Interactions. Cell 20;182(4):1027-1043. (2020)