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單堿基編輯器比“基因剪刀”還好用

2024-09-18 14:30:20 來源：科技日報

來源標題：單堿基編輯器比“基因剪刀”還好用

近日，中國農業科學院深圳農業基因組研究所動物表觀基因組學創新團隊運用人工智能挖掘出一種新型蛋白——胞嘧啶脫氨酶，開發出高效、無序列偏好的胞嘧啶堿基編輯工具。相關研究成果日前發表在《自然·生物醫學工程》雜志上。

“團隊利用人工智能蛋白結構預測工具和結構聚類方法來挖掘和篩選新的胞嘧啶脫氨酶，并提供了高效率、適用廣泛的候選胞嘧啶脫氨酶用于構建胞嘧啶堿基編輯器，有力推進胞嘧啶堿基編輯器在生物醫學和農業育種等領域的應用。”論文通訊作者、中國農業科學院深圳農業基因組研究所研究員左二偉告訴記者。

修改特定堿基更精準

“單堿基編輯器是一種革命性的基因編輯技術，能精確修改DNA分子中的單個堿基，不必像傳統的基因編輯工具那樣隨機切割基因組或完全替換整個基因序列。單堿基編輯器利用特定的蛋白質或酶與靶向RNA結合，能夠實現定點突變，從而精確調整基因的功能或表達水平。”左二偉說，這種技術極大地拓展了基因編輯的應用領域，使科學家可以更精細地探索基因的作用機制和影響，不僅在理論研究上有重要價值，也在應用實踐中具有巨大潛力。

目前，研究人員已經開發出幾種主要的單堿基編輯器，其中包括胞嘧啶堿基編輯器(CBE)、腺嘌呤堿基編輯器(ABE)等。

“這些編輯器相較于傳統的基因編輯工具，有顯著優勢。首先，它們精確性更高，只修改特定堿基，而不會對周圍的基因序列造成改變。例如，CBE可利用胞嘧啶脫氨酶將靶位點的胞嘧啶轉變為胸腺嘧啶;ABE則通過將特定的腺嘌呤直接轉變為鳥嘌呤，精確地修正單個堿基，而不影響其余基因組結構。其次，相較于被稱為“基因剪刀”的基因組編輯器CRISPR-Cas9需要引入雙鏈斷裂修復機制，單堿基編輯器可以在不切斷基因組雙鏈的情況下對靶位點進行精確修改，有助于保持基因組的穩定性。”左二偉說。

此外，單堿基編輯器還能夠在無需大規模替換DNA的情況下，實現對基因功能的精確調節，節省了時間和資源，提高了操作效率。

左二偉介紹，單堿基編輯器因其精確、高效、安全的特性，正逐漸成為基因編輯領域的重要工具。

基于AI的蛋白結構預測更高效

為了讓單堿基編輯器這個基因編輯的“利器”鋒芒更盛，研究人員對其展開了進一步的研究。

上述中國農業科學院深圳農業基因組研究所創新團隊取得的最新研究成果便是其中一例。

作為CBE的關鍵蛋白酶，胞嘧啶脫氨酶的催化特征直接影響了CBE的編輯性能。

“目前常用的胞嘧啶脫氨酶在基因編輯過程中存在效率不夠高、有明顯的序列偏好性以及潛在的脫靶風險等問題。因此，發現具有新功能特性的胞嘧啶脫氨酶對于提升和擴展CBE的編輯性能至關重要。”論文第一作者、中國農業科學院深圳農業基因組研究所博士后徐奎告訴記者。

傳統方法主要依賴蛋白質的一級序列信息通過序列保守性比對和分類來實現對新蛋白的篩選。然而，這種方式忽略了影響蛋白功能的關鍵因素——蛋白質的三維結構。近年來，隨著AlphaFold2等人工智能技術的發展，能夠快速預測給定蛋白序列的三維結構，通過規模化分析和分類蛋白結構，極大地推動了新功能蛋白的挖掘效率。

“本研究利用AlphaFold2生成了大量自然界中存在的胞嘧啶脫氨酶的三維結構預測，并根據結構相似性對這些脫氨酶進行了聚類。從每個聚類中選擇了具有代表性的脫氨酶進行堿基編輯活性檢測。通過這種方法，我們篩選出多種具有顯著特征的脫氨酶，它們展示出高編輯效率、編輯效率與脫靶效應之間的更佳平衡以及編輯窗口的多樣性。”徐奎說。

特別值得注意的是，該研究發現了幾種在編輯位點序列上不具偏好性的胞嘧啶脫氨酶，能夠無選擇性地編輯不同的基因序列，這一發現尚屬首次。“這項研究凸顯了基于人工智能的蛋白結構預測工具在挖掘和篩選新功能蛋白方面的巨大潛力，并提供了新的候選胞嘧啶脫氨酶用于構建CBE。”徐奎說。

基礎和應用研究潛力巨大

單堿基編輯器在生物醫學和農業育種領域展現出廣泛的應用潛力。

“在生物醫學領域，單堿基編輯器的應用主要集中在遺傳病治療方面。遺傳病往往由單堿基突變引起，如囊性纖維化和鐮狀細胞貧血等。傳統治療方法通常是對癥處理，難以根治。單堿基編輯技術的出現為這些突變的精確修復提供了新的途徑。”左二偉說，例如，利用CBE或ABE可以直接修復基因組中的有害突變，恢復正常基因功能。這種精準的基因修復不僅能夠提高治療效果，減少不良副作用，還有望改善患者的生活質量。

此外，單堿基編輯技術在癌癥治療和免疫療法領域也展現了潛力。例如，通過定點修復癌癥相關基因的突變，可以有效提升免疫療法的治療效果，并減少腫瘤細胞的耐藥性。

“在農業領域，單堿基編輯技術被廣泛應用于改良作物和家畜的性狀。例如，通過CBE或ABE可以精確調控農作物的抗病性、耐旱性和產量等重要性狀，從而提高農作物的適應性和經濟價值。這種精準改良不僅有助于緩解全球糧食安全壓力，還能減少對化學農藥的依賴，保護環境和生物多樣性。”左二偉說。

此外，單堿基編輯技術在基礎科學研究中也發揮著重要作用。通過精確修改特定基因的功能區域，科學家可以深入探索基因的調控機制。例如，研究人員可以利用單堿基編輯技術研究基因的啟動子區域或調控元件，揭示其在細胞分化、發育和疾病發生中的作用機制。這為理解生命的基本規律提供了新的實驗手段。

“隨著技術的不斷進步和應用的拓展，預計單堿基編輯技術將成為未來基因編輯領域的關鍵技術之一，給人類健康、食品安全和生物多樣性保護帶來深遠影響。”左二偉說。

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