(相關(guān)資料圖)
本文轉(zhuǎn)自【中國新聞網(wǎng)】；
中新網(wǎng)北京6月28日電 (記者 孫自法)記者28日從中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所(中科院遺傳發(fā)育所)獲悉，該所高彩霞研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國科研同行和相關(guān)企業(yè)，最近創(chuàng)新性運(yùn)用人工智能(AI)輔助的蛋白結(jié)構(gòu)預(yù)測，建立起全新的基于三級結(jié)構(gòu)的高通量蛋白聚類方法，實(shí)現(xiàn)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)一系列具有中國自主知識產(chǎn)權(quán)的新型堿基編輯工具。
這項(xiàng)為蛋白功能分析、新功能元件挖掘提供全新策略的精準(zhǔn)基因編輯技術(shù)成果論文，于北京時間6月27日深夜在國際著名學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》(Cell)在線發(fā)表。
論文共同通訊作者高彩霞研究員表示，該研究通過創(chuàng)新蛋白聚類方法成功開發(fā)出一系列新型堿基編輯工具，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，有望打破堿基編輯底層國外專利壟斷，并將幫助中國在未來的生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)競爭中處于有利地位。
她介紹說，蛋白質(zhì)是生命活動的主要承擔(dān)者。通過對蛋白質(zhì)進(jìn)行功能聚類，是理解其參與的生理過程、設(shè)計新型蛋白質(zhì)等的重要手段。現(xiàn)有的方法主要基于氨基酸一級序列的相似性對蛋白質(zhì)進(jìn)行聚類分析，并以此推斷其功能和演化關(guān)系。然而，蛋白質(zhì)功能由其三維空間結(jié)構(gòu)所決定，開發(fā)基于三維結(jié)構(gòu)的高通量蛋白質(zhì)聚類方法，將為蛋白質(zhì)功能研究提供更直接、可靠的手段，并推動未知蛋白質(zhì)的功能挖掘。
堿基編輯系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)單核苷酸精度的DNA(脫氧核糖核酸)或RNA(核糖核酸)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)的底層專利由國外持有，中國亟需擁有具自主知識產(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)用場景的新型堿基編輯工具顯得尤為重要。
在本項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)首先通過蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測模型AlphaFold2對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，隨后創(chuàng)新性開展基于三維結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)多重比對與聚類，成功將潛在的脫氨酶劃分為20個不同的分支。除已報道的APOBEC/AID胞嘧啶脫氨酶外，研究團(tuán)隊(duì)又檢測到5個結(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，研究團(tuán)隊(duì)對具有類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)除以前推測的具有雙鏈DNA脫氨活性的蛋白外，該分支還包含大量只具有單鏈DNA脫氨活性的蛋白，這一結(jié)果顛覆了之前對該類蛋白功能的認(rèn)知。
這次研究表明，當(dāng)?shù)鞍准系男蛄型葱暂^低且功能多樣時，相比于傳統(tǒng)的基于氨基酸一級序列的聚類方法，通過人工智能輔助的蛋白質(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一個高效、可靠的新策略。
在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)全新鑒定到45個單鏈胞嘧啶脫氨酶(Sdd)和13個雙鏈胞嘧啶脫氨酶(Ddd)，開發(fā)出一系列新型堿基編輯系統(tǒng)，并在動、植物細(xì)胞中進(jìn)行測試。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)克服常規(guī)編輯器對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)出極高的特異性，幾乎檢測不到脫靶事件。
研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步通過蛋白理性設(shè)計和功能驗(yàn)證，開發(fā)出新型的可被單個腺相關(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)堿基編輯器過大而無法被腺病毒顆包被遞送的難題。此外，針對大豆中長期存在堿基編輯效率低下的問題，研究團(tuán)隊(duì)新開發(fā)了Sdd7-CBE系統(tǒng)，在154株大豆陽性苗中獲得34株穩(wěn)定編輯的植株，相比之下，常規(guī)的堿基編輯技術(shù)獲得編輯大豆植株的效率為零。
責(zé)任編輯：Rex_28
營業(yè)執(zhí)照公示信息