中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所高彩霞課題組率先利用人工智能輔助方法，通過結(jié)構(gòu)預測和分類發(fā)現(xiàn)具有獨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辟了一系列應(yīng)用。

結(jié)果發(fā)表在《細胞》雜志上。

新蛋白質(zhì)的發(fā)現(xiàn)和多種工程酶的開發(fā)促進了生物技術(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)工程和定向進化的規(guī)范努力有助于實現(xiàn)堿基編輯特性的多樣化，但挑戰(zhàn)仍然存在。通過使用 AlphaFold2 預測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)相似性對脫氨酶進行聚類和分析。他們在 DNA 堿基編輯器的背景下鑒定了五個具有胞苷脫氨活性的新脫氨酶簇。

利用這種方法，他們進一步重新分類了一組胞苷脫氨酶，稱為 SCP1.201，之前被認為作用于 dsDNA，主要對 ssDNA 進行脫氨。通過隨后的蛋白質(zhì)分析和工程工作，他們開發(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行編輯以及更小的尺寸等特性。

研究人員強調(diào)，一套堿基編輯器的開發(fā)將使未來能夠為各種治療或農(nóng)業(yè)育種工作量身定制應(yīng)用。他們開發(fā)了最小的單鏈特異性胞苷脫氨酶，使第一個有效的胞嘧啶堿基編輯器能夠包裝在單個腺相關(guān)病毒中。

他們還從這個進化枝中發(fā)現(xiàn)了一種專門針對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。

總的來說，最近使用不斷增長的基因組數(shù)據(jù)庫進行蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預測的出現(xiàn)將大大加速新生物工程工具的開發(fā)。

這項研究重點介紹了一種僅使用胞苷脫氨酶超家族來開發(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)預測，極大地擴展了堿基編輯器在治療和農(nóng)業(yè)應(yīng)用中的效用。

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

該研究得到了國家自然科學基金委、國家重點研發(fā)計劃、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部等的支持。

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