研究人員利用人工智能預(yù)測(cè)的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)聚類(lèi)開(kāi)發(fā)新的堿基編輯工具

中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所高彩霞課題組率先利用人工智能輔助方法，通過(guò)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)和分類(lèi)發(fā)現(xiàn)具有獨(dú)特功能的新型脫氨酶蛋白。

【資料圖】

這種方法為發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)造所需的植物遺傳性狀開(kāi)辟了一系列應(yīng)用。

結(jié)果發(fā)表在《細(xì)胞》雜志上。

新蛋白質(zhì)的發(fā)現(xiàn)和多種工程酶的開(kāi)發(fā)促進(jìn)了生物技術(shù)的快速發(fā)展。目前，挖掘新型蛋白質(zhì)的工作通常依賴(lài)于氨基酸序列，這不能提供蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)信息和功能之間的牢固聯(lián)系。

堿基編輯是一種新的精確基因組編輯技術(shù)，通過(guò)將所需性狀引入優(yōu)良種質(zhì)中，有可能徹底改變分子作物育種。幾種脫氨酶的發(fā)現(xiàn)擴(kuò)展了胞嘧啶堿基編輯的能力。盡管傳統(tǒng)的基于序列的努力已經(jīng)鑒定出許多可用作堿基編輯器的蛋白質(zhì)，但編輯特定 DNA 序列或物種的限制仍然存在。

僅基于蛋白質(zhì)工程和定向進(jìn)化的規(guī)范努力有助于實(shí)現(xiàn)堿基編輯特性的多樣化，但挑戰(zhàn)仍然存在。通過(guò)使用 AlphaFold2 預(yù)測(cè)脫氨酶蛋白家族中的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，研究人員根據(jù)結(jié)構(gòu)相似性對(duì)脫氨酶進(jìn)行聚類(lèi)和分析。他們?cè)?DNA 堿基編輯器的背景下鑒定了五個(gè)具有胞苷脫氨活性的新脫氨酶簇。

利用這種方法，他們進(jìn)一步重新分類(lèi)了一組胞苷脫氨酶，稱(chēng)為 SCP1.201，之前被認(rèn)為作用于 dsDNA，主要對(duì) ssDNA 進(jìn)行脫氨。通過(guò)隨后的蛋白質(zhì)分析和工程工作，他們開(kāi)發(fā)了一套具有顯著功能的新型 DNA 堿基編輯器。這些脫氨酶表現(xiàn)出更高的效率、更少的脫靶編輯事件產(chǎn)生、以不同的首選序列基序進(jìn)行編輯以及更小的尺寸等特性。

研究人員強(qiáng)調(diào)，一套堿基編輯器的開(kāi)發(fā)將使未來(lái)能夠?yàn)楦鞣N治療或農(nóng)業(yè)育種工作量身定制應(yīng)用。他們開(kāi)發(fā)了最小的單鏈特異性胞苷脫氨酶，使第一個(gè)有效的胞嘧啶堿基編輯器能夠包裝在單個(gè)腺相關(guān)病毒中。

他們還從這個(gè)進(jìn)化枝中發(fā)現(xiàn)了一種專(zhuān)門(mén)針對(duì)大豆植物的高效脫氨酶，大豆植物是一種全球重要的農(nóng)作物，之前胞嘧啶堿基編輯器的編輯效果不佳。

總的來(lái)說(shuō)，最近使用不斷增長(zhǎng)的基因組數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)的出現(xiàn)將大大加速新生物工程工具的開(kāi)發(fā)。

這項(xiàng)研究重點(diǎn)介紹了一種僅使用胞苷脫氨酶超家族來(lái)開(kāi)發(fā)一套新技術(shù)并發(fā)現(xiàn)新蛋白質(zhì)功能的方法。這些新發(fā)現(xiàn)的脫氨酶基于人工智能輔助結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)，極大地?cái)U(kuò)展了堿基編輯器在治療和農(nóng)業(yè)應(yīng)用中的效用。

此外，這項(xiàng)研究將引起系統(tǒng)發(fā)育學(xué)、宏基因組學(xué)、蛋白質(zhì)工程和進(jìn)化、基因組編輯和植物育種領(lǐng)域更大的研究界的廣泛興趣。

該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部等的支持。

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