【資料圖】

中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所高彩霞研究組創(chuàng)新性地運(yùn)用AI輔助的大規(guī)模蛋白結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)，建立起全新的基于三級(jí)結(jié)構(gòu)的高通量蛋白聚類方法，實(shí)現(xiàn)了脫氨酶功能結(jié)構(gòu)的深入挖掘，鑒定到完全區(qū)別于已知脫氨工具酶的全新底盤元件，并成功開發(fā)了一系列具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型堿基編輯工具。該項(xiàng)工作為蛋白功能分析、新功能元件挖掘提供了全新策略。新研發(fā)的堿基編輯系統(tǒng)是具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的精準(zhǔn)基因編輯技術(shù)，有望打破堿基編輯底層專利壟斷，將幫助我國(guó)在未來(lái)的生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)中處于有利地位。研究成果于2023年6月27日23點(diǎn)在線發(fā)表在Cell（細(xì)胞）雜志。

圖：基于AI輔助的蛋白結(jié)構(gòu)聚類挖掘脫氨酶并開發(fā)具有新特性的堿基編輯系統(tǒng)。

蛋白質(zhì)是生命活動(dòng)的主要承擔(dān)者。堿基編輯系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)單核苷酸精度的DNA或RNA精準(zhǔn)編輯，是基因功能研究、疾病治療、生物育種的變革性技術(shù)。然而，現(xiàn)有堿基編輯系統(tǒng)的核心元件脫氨酶來(lái)源于單一家族，導(dǎo)致堿基編輯仍有諸多局限，編輯尚難以滿足多元化的應(yīng)用需求。而且，現(xiàn)有堿基編輯系統(tǒng)的底層專利由國(guó)外持有，我國(guó)亟需擁有具自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的堿基編輯系統(tǒng)。因此，創(chuàng)新地挖掘新型脫氨酶，開發(fā)適用于不同應(yīng)用場(chǎng)景的新型堿基編輯工具顯得尤為重要。

研究人員首先通過(guò)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)模型AlphaFold2對(duì)具有代表性的脫氨功能序列進(jìn)行批量三維結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)，隨后創(chuàng)新性地開展了基于三維結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)多重比對(duì)與聚類，成功將潛在的脫氨酶劃分為20個(gè)不同的分支。除已報(bào)道的APOBEC/AID胞嘧啶脫氨酶外，研究人員又檢測(cè)到了5個(gè)結(jié)構(gòu)、序列全新的具有活性的胞嘧啶脫氨酶分支。在這些分支中，研究人員對(duì)具有類DddA脫氨結(jié)構(gòu)域的蛋白進(jìn)行進(jìn)一步結(jié)構(gòu)聚類和功能驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)除以前推測(cè)的具有雙鏈DNA脫氨活性的蛋白外，該分支還包含了大量只具有單鏈DNA脫氨活性的蛋白，該結(jié)果顛覆了之前對(duì)該類蛋白功能的認(rèn)知。以上研究表明，當(dāng)?shù)鞍准系男蛄型葱暂^低且功能多樣時(shí)，相比于傳統(tǒng)的基于氨基酸一級(jí)序列的聚類方法，通過(guò)AI輔助的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)聚類能夠得到更準(zhǔn)確的結(jié)果。因此，該方法為蛋白質(zhì)功能分析和挖掘提供了一個(gè)高效、可靠的新策略。

研究人員基于上述進(jìn)一步聚類的結(jié)果，全新鑒定到45個(gè)單鏈胞嘧啶脫氨酶（Sdd）和13個(gè)雙鏈胞嘧啶脫氨酶（Ddd），開發(fā)了一系列新型堿基編輯系統(tǒng)，并在動(dòng)、植物細(xì)胞中進(jìn)行了測(cè)試。

結(jié)果表明，新開發(fā)的基于Ddd1和Ddd9脫氨酶的雙鏈堿基編輯系統(tǒng)克服了常規(guī)編輯器對(duì)GC序列編輯效率明顯降低的缺陷；基于Sdd7和Sdd3的單鏈堿基編輯系統(tǒng)展現(xiàn)出了非常高的編輯活性，在GC序列同樣具有可觀的堿基編輯能力；基于Sdd6的單鏈堿基編輯系統(tǒng)則展現(xiàn)出了極高的特異性，幾乎檢測(cè)不到脫靶事件。

研究人員進(jìn)一步通過(guò)蛋白理性設(shè)計(jì)和功能驗(yàn)證，開發(fā)了新型的可被單個(gè)腺相關(guān)病毒（AAV）包被的Sdd6-CBE堿基編輯器，在小鼠細(xì)胞系中成功獲得高達(dá)43.1%的編輯效率， 解決了常規(guī)堿基編輯器過(guò)大而無(wú)法被腺病毒顆包被遞送的難題。

針對(duì)大豆中長(zhǎng)期存在堿基編輯效率低下問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)新開發(fā)了Sdd7-CBE系統(tǒng)，在154株大豆陽(yáng)性苗中獲得了34株穩(wěn)定編輯的植株，編輯效率高達(dá)22.1%。

研究突破了現(xiàn)有脫氨酶的應(yīng)用瓶頸，展現(xiàn)出新型堿基編輯系統(tǒng)在醫(yī)學(xué)和農(nóng)業(yè)方面廣泛的應(yīng)用前景。

遺傳發(fā)育所高彩霞研究組博士后黃佳穎、林秋鵬，博士生費(fèi)宏源、賀子欣為本文的共同第一作者；高彩霞研究員與北京齊禾生科生物科技有限公司的Kevin Tianmeng Zhao博士為本文共同通訊作者；青島華大基因的羅永倫教授團(tuán)隊(duì)、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所左二偉研究員、中國(guó)科學(xué)院微生物研究所的邱金龍研究員參與了該研究。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項(xiàng)等項(xiàng)目的資助。（經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)記者 佘惠敏）

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