首次,西湖大学用蛋白质语言模型定向改造碱基编辑器,登Cell子刊
来源:机器之心
时间:2024-05-07 22:12:28 440浏览 收藏
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编辑 | ScienceAI
在基因组编辑领域,单碱基编辑器通过将可编程的DNA结合蛋白与碱基修饰酶融合,实现在不引起DNA双链断裂的情况下,对基因组中特定碱基进行精确修改。
尽管尽管尖管依赖于胞嘧啶(C)碱基编码器(CBE)或腺嘌呤(A)碱基编码器(ABE)介导的脱氨酶反应,这些编码器能够实现C到胞腺嘧啶(T)或A到鸟嘌呤(G)的突变,但它们在诱导所有类型的点突变方面仍存在局限性。
近期,西湖大学团队在《Molecular Cell》上发表了一篇题为「Protein language models-assisted optimization of a Uracil-N glycosylase variant enables programmable T-to-G and T-to-C base editing」的研究文章。
这项研究首次利用蛋白质语言模型(PLM)对尿嘧啶-N-糖基化酶(UNG)进行改造,开发出高活性突变体。该突变体能够够识别常规的T和C,基于此,研究者构建了一种新型碱基编辑器TSBE。它能够有效地实现T到G或T到C的编译。基于此,研究者构建了一种新型碱基编辑器TSBE,它能够有效地实现T到G或T到C的编辑,具有很高的应用前景。
研究团队首先通过调整尿嘧啶DNA糖基化酶(UDG)的底物特异性,获得特异性识别胸腺嘧啶DNA糖基化酶(TDG)和特异性识别胸腺嘧啶DNA糖基化酶(CDG)的胸腺嘧啶DNA糖基化酶(TDG)和胸腺嘧啶DNA糖基化酶(CDG),以得到特异性识别胸腺嘧啶DNA糖基化
通过nCas9和sgRNA的精确引导下,这些酶能够够切割T或C碱基,实现一步创建无碱基位点,在后续的DNA修复过程中产生更特异和高效的颠换突变。
研究团队首先将UDG变体CDG和TDG融合在SpCas9n的N端,得到的N-CDG只有较低的编辑C碱基的能力,N-TDG编辑T碱基的效果同样微弱。
通过将CDG插入SpCas9n的中间得到CE-CDG,编辑C碱基的效率大大提高,碱基转换以C>G为主。
然而将TDG插入SpCas9n的中间得到CE-TDG(TSBE1),编辑T碱基的效果仍不理想(图2)。
为了进一步优化TSBE,研究者采用了蛋白质语言模型(PLM)来预测和设计TDG的高活性突变体(图3),这一策略显著提高了TSBE的蛋白进化效率。
蛋白质语言模型借鉴了自然语言处理(NLP)中的「语言模型」概念,通过分析蛋白质氨基酸序列来预测其结构和功能。尽管蛋白质语言模型在特定酶的优化和分子进化中的应用尚属首次,但其潜力已在本研究中得到验证。
通过设计语言模型打分和排名方案,研究人员选择出可能提高酶活性的TDG变体。通过实验验证突变体功能,发现在验证的48个预测的TDG突变体中,超过50%的突变体展现出1.5-2倍的酶活性增强,成功率远远高于随机诱变。
优化后的TSBE能在人细胞系中有效地诱导T到G或T到C的碱基替换,并且能够精确地纠正肥胖小鼠模型db/db胚胎的致病突变(图 4)。
值得注意的是,近期通过随机突变和筛选UNG突变体,也有研究成功开发出了针对C和T碱基的颠换编辑器[1],并且某些增强TDG功能的突变与蛋白质语言模型预测的结果相一致。提示蛋白质语言模型与传统的随机突变和筛选方法,在蛋白质定向进化领域具有潜在的协同作用。
综上所述,本研究的发现不仅为开发新型碱基编辑器建立了新策略,而且还证明了利用蛋白质语言模型,无需大量特定任务训练数据或实验验证,即可用于酶的分子进化的巨大潜力。这些发现将为未来的基因组编辑技术发展开辟新的道路。
参考文献
1. Ye, L., Zhao, D., Li, J., Wang, Y., Li, B., Yang, Y., Hou, X., Wang, H., Wei, Z., Liu, X., et al. (2024). Glycosylase-based base editors for efficient T-to-G and C-to-G editing in mammalian cells. Nature Biotechnology. 10.1038/s41587-023-02050-w.
来源 /转载于西湖大学医学院新闻动态:https://medicine.westlake.edu.cn/News/202402/t20240221_37225.shtml
到这里,我们也就讲完了《首次,西湖大学用蛋白质语言模型定向改造碱基编辑器,登Cell子刊》的内容了。个人认为,基础知识的学习和巩固,是为了更好的将其运用到项目中,欢迎关注golang学习网公众号,带你了解更多关于理论,西湖大学,蛋白质语言模型的知识点!
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