Nature子刊：David Baker团队AI设计DNA结合蛋白，为小型化基因编辑调控工具开辟新思路

撰文丨王聪

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

序列特异性的DNA 结合蛋白（DBP）在生物学和生物技术领域具有关键作用。近年来，人们对改造 DBP 以获得新型或改变的特异性（用于基因编辑等应用）产生了广泛关注。

尽管通过筛选方法对天然存在的 DBP 进行重编程已取得一定成功，但能够识别任意靶位点的新型 DBP 的计算设计，仍然是一个尚未解决的重大挑战。

2025 年 9 月 12 日，诺奖得主、华盛顿大学蛋白质设计研究所 David Baker 教授团队在 Nature 子刊Nature Structural & Molecular Biology上发表了题为：Computational design of sequence-specific DNA-binding proteins 的研究论文。

该研究成功设计出了序列特异性 DNA 结合蛋白，且可在大肠杆菌和哺乳动物细胞中发挥发挥作用，抑制或激活邻近基因的转录。这项研究为开发用于基因编辑和调控的小型化、易于递送的序列特异性 DNA 结合蛋白提供了新途径。

自然界利用多种多样的DNA 结合蛋白（DBP）结构域来靶向特定 DNA 序列，这些结构域通常在结构上相互偶联并与效应区域连接，从而赋予酶活性、结合及调控功能。

尽管通过复杂结构对 DNA 结合特异性进行计算机预测已得到深入研究并取得重大进展，但天然蛋白质的 DNA 结合亲和力与特异性仍难以预测。高度极化的 DNA 表面去溶剂化所需的高自由能成本，也为从头设计DNA 结合蛋白（DBP）带来了挑战。

因此，尽管计算从头设计在生成靶向任意蛋白质结构（主要位于疏水区域）的结合蛋白方面近期取得显著成功，但迄今为止，DBP 工程的计算方法仍局限于重新设计现有天然蛋白质-DNA 复合物结构的界面。这些努力受到起始支架形状和相对于 DNA 的取向的刚性几何结构的限制，从而限制了可识别的潜在靶序列范围。

开发一种更通用的解决方案来生成紧凑、可定制的 DBP，将能够实现模块化、几何精确且可交付的工具，并与最先进的基因调控、基因编辑和核酸诊断技术高度互补——这些技术目前主要使用锌指蛋白、TALE 和 CRISPR–Cas 系统。

尽管这些工具已被证明功能强大，但各自存在局限性：锌指蛋白的工程设计可能耗时费力；TALE 和 CRISPR–Cas 系统的大尺寸使得其治疗应用中的递送复杂化；CRISPR–Cas 系统还需额外的 gRNA 组件，且靶位点受到 PAM 序列要求的限制。研究人员仍在持续改进这些系统，但它们受限制的主链拓扑结构可能会制约相互作用特异性的精确控制以及与多样化效应结构域的紧密整合。

在这项研究中，研究团队描述了一种计算设计方法，用于开发小型 DNA 结合蛋白（Small DBP），这些蛋白通过与 DNA 双螺旋结构的大沟中的碱基相互作用来识别短的特定靶序列。利用该方法，研究团队成功生成了靶向 5 个不同 DNA 靶点的结合蛋白，其亲和力达到中纳摩尔到高纳摩尔级。

DBP 设计流程概述

单个结合模块在多达 6 个碱基对的位置上表现出与计算模型高度匹配的特异性。通过使用 RFdiffusion 将结合蛋白沿 DNA 双螺旋进行刚性定位，可以实现更高阶的特异性。设计的 DBP-靶点复合物的晶体结构与设计模型高度一致，且设计的 DBP 在大肠杆菌以及哺乳动物细胞中均能发挥作用，成功抑制或激活了邻近基因的转录。

设计的 DBP 在活细胞中发挥作用，以调控转录抑制和激活

总的来说，该研究中使用的方法为开发用于基因编辑和调控的小型化、易于递送的序列特异性 DNA 结合蛋白提供了新途径。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41594-025-01669-4