Cell Res | 左二伟团队构建AlphaCD模型，推动高通量蛋白功能表征进入AI时代

胞嘧啶脱氨酶（cytidine deaminase,CD）是单碱基编辑器（CBE）的催化核心，其编辑效率和 特异性 直接决定了编辑工具的应用效果。然而，天然CD资源庞大而未充分表征，现有研究大多依赖人工逐个实验验证，效率低下，严重制约了功能型编辑酶的系统发现与精准设计。

针对这一瓶颈， 2025年8月18日， 中国农业科学院农业基因组研究所左二伟研究员课题组 在Cell Research上发表了文章AlphaCD: a machine learning model capable of highly accurate characterization for 21,335 cytidine deaminases，提出以人工智能辅助脱氨酶功能表征的新范式，构建了融合实验大数据与多模态特征的机器学习模型——AlphaCD。

该研究首先构建了全球规模最大的 CD 功能数据库，系统评估了APOBEC家族CD与Cas9融合后的编辑 特征。 在HEK293T细胞中，这些 CBE 载体被用于编辑包含102个靶序列的sgRNA文库，通过高通量测序分析，全面评估了每个CD的编辑效率（C-to-T）、编辑窗口、序列偏好 性 ，以及Cas9非依赖的脱靶活性（R-loop体系检测）。在此基础上，作者构建了包含序列聚类（CD-HIT）、三维结构聚类（Foldseek、TM-Cluster，基于AlphaFold2预测结构）、理化性质（ 分子量、等电点、不稳定性指数和亲水性等 ）、蛋白长度、亚家族等 八 类输入特征的多模态数据集，并利用随机森林算法建立了四个模型：两个回归模型用于预测CD的 编辑 效率与脱靶 效应 ，两个分类模型用于预测其催化窗口范围与碱基偏好 性 。

模型评估结果显示，AlphaCD具备极高的预测性能：催化效率预测的R²为0.92，脱靶预测R²为0.84，编辑窗口分类AUC值为0.95，碱基偏好分类准确率达0.78。作者进一步将模型应用于UniProt数据库中21,335个未表征 的 APOBEC-like 家族胞嘧啶脱氨酶的功能表征 ，筛选得到18,138个催化效率超过10%的候选CD，其中522个超过30%。从中随机挑选的28个CD进行实验验证，其预测值与实测 编辑 效率、脱靶 效应 、 编辑 窗口与碱基偏好 性 之间高度一致（ 精确度 分别为 分别为0.84、0.87、0.75和0.73 ），充分验证了AlphaCD在大规模功能挖掘中的准确性和通用性。

在模型筛选出的候选酶中，A0A2R2Z4E4表现出近60%的催化效率，是最具潜力的高效CBE脱氨酶之一。然而其脱靶水平偏高，限制了其应用。为此，团队对A0A2R2Z4E4进行了全蛋白丙氨酸扫描突变，共构建185个突变体，并在102位点文库中系统评估其性能。最终获得了多个脱靶下降、效率上升的高保真突变体，其中E100A突变体脱靶下降43.9%、效率提升至rAPOBEC1的2倍、hA3A的1.3倍， 编辑特异性 优于当前主流高保真YE1编辑器。

功能验证方面，A0A2R2Z4E4 E100A CBE在治疗相关的内源位点显示出强大能力。在小鼠 Hpd 基因中，该工具诱导终止密码子的效率高达42.7%，远超rAPOBEC1（25.2%）、YE1（13.6%）等经典编辑器；在人肝癌细胞中编辑高胆固醇相关基因 PCSK9 ，其 对 剪切信号位点的C-to-T编辑效率高达81.6%，并显著提高LDL摄取能力，显示出在遗传病治疗和代谢调控上的应用潜力。

该研究不仅构建了胞嘧啶脱氨酶研究领域首个大规模实验验证数据库，突破了传统序列、结构聚类在蛋白功能预测中的瓶颈，更通过机器学习与实验验证的闭环优化，提出了从天然序列中挖掘、筛选并进化编辑工具的系统策略。AlphaCD为高通量、精确预测未知蛋白功能提供了重要范式，未来有望推广至其他酶类蛋白的功能挖掘、精准设计和临床转化。

中国农业科学院深圳农业基因组研究所左二伟研究员为论文 独立 通讯作者 ， 博士后徐奎 （现为中国科学院亚热带农业生态研究所研究员） 、 华国营 、张海航和博士生 吴明第 为论文共同第一作者 ，博士后冯虎为该研究提供了重要帮助 。

本文第一作者徐奎现就职于中国科学院亚热带农业生态研究所（湖南长沙），任研究员，为中国科学院“百人计划”高层次引进人才，近年来以第一或通讯作者在Nature Biomedical Engineering、Cell Research、The Innovation、Cell Discovery、elife、Science China Life Sciences等期刊发表论文，课题组研究聚焦于新型基因编辑技术研发和基因编辑猪“一猪两用（农用和医用，包括异种移植）”方向。现因项目需要，诚聘相关方向副研究员（在编）和博士后3-5名，博士后在站年薪30w+可连续支持3-6年（为湖南博士后最好待遇，在长沙买房生活毫无压力，优秀博士后优先提供在编副研究员岗位），欢迎有意来湖南发展的优秀博士投递简历。

简历投递（ 有意者请将个人简历等材料发至 ）：

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https://www.nature.com/articles/s41422-025-01164-x

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