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编辑丨coisini
在生物化学转化中,实现高特异性对于研究和治疗都至关重要。尤其是对于基因组编辑,提高工具的特异性可确保有效且精确的编辑效果。为实现这一目标,人们采用了理性设计和定向进化策略。
然而,结构引导的理性设计依赖于经验性的人工专业知识,成功率低,且常受制于活性与特异性之间的权衡。定向进化则需要复杂的回路设计和平台实现,并且可能陷入局部最优解。
最近,来自北京大学、华东师范大学等的研究团队提出了一种专为特异性改进而设计的 AI 框架 ——ContactSeek,利用 AlphaFold3(AF3)预测的接触概率(CP)来提高基因组编辑器的特异性。研究论文以《Precise DNA base editing using AlphaFold3-based contact modelling》为题发表于《Nature》。
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论文地址:https://www.nature.com/articles/s41586-026-10794-z
基于 CP 的 ContactSeek
由于蛋白质语言模型和逆折叠模型是为蛋白质设计的,它们无法捕捉蛋白 - DNA-RNA 复合物中的构象差异,因此无法学习特异性的决定因素。
研究团队发现接触概率(CP)是一个被低估的 AF3 输出,CP 可以被用来灵敏地测量生物分子间的相互作用。因此,他们尝试设计一个基于 CP 的框架,即 ContactSeek,来识别差异相互作用。
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首先,研究团队提取了 Cas 蛋白与 sgRNA/tsDNA/ntsDNA 之间的 CP;其次,他们通过将脱靶三元复合物与其靶向对应物进行比较来计算 ΔCP,并利用这些值来识别 Cas 蛋白上残基与 DNA 或 sgRNA 相互作用的接触区域;第三,基于 CP、ΔCP 和源自测序的脱靶信号对接触区域的重要性进行排序。
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ContactSeek 利用 AF3 预测的 CP 来模拟全基因组范围的脱靶相互作用,从而揭示特异性决定残基并实现精确的 DNA 碱基编辑。
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ContactSeek 的输出包括共有接触区域(CCRs)的排名,以及这些 CCRs 内的关键接触残基。CCRs 可代表蛋白质–DNA–RNA 相互作用的空间关联区域,并包含对特异性提升具有功能重要性的残基。
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在应用 ContactSeek 时,该研究独立地模拟了核心 Cas–DNA–RNA 复合物和二元脱氨酶–RNA 复合物,而非依赖于全长复合物,这使其能够规避全长复合物预测中组件定位错误所带来的影响。
实验评估
实验验证表明,ContactSeek 的成功率约为 56.5%(13/23)。并且,通过扩展至 TadA8e 脱氨酶,ContactSeek 取得了约 64.7% 的成功率,并大幅减少了 RNA 脱靶编辑和不依赖 sgRNA 的 DNA 脱靶编辑。这些结果凸显了 ContactSeek 应对不同类型脱靶效应的能力。
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研究团队将 ContactSeek 应用于 TadA8e,多项正交检测表明,其最佳变体 Cas9 (K1020D)–TadA8e (F156D) 相较于文献中几种基于高保真 Cas9 的 ABEs,表现出更优越的整体特异性。
此外,ContactSeek 还可推广至基于 Cas12a 的胞嘧啶碱基编辑器。
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总的来说,ContactSeek 通过整合结构维度和功能维度,提高了基因组编辑工具的精度。研究团队预期,通过与匹配的特异性测量(例如基于测序的检测)相结合,ContactSeek 将广泛适用于多种 DNA 和 RNA 编辑工具。
感兴趣的读者可以阅读论文原文,了解更多研究内容。
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