图为DNA分子模型。单碱基编辑器能精确修改DNA分子中的单个碱基。
近日，中国农业科学院深圳农业基因组研究所动物表观基因组学创新团队运用人工智能挖掘出一种新型蛋白——胞嘧啶脱氨酶，开发出高效、无序列偏好的胞嘧啶碱基编辑工具。相关研究成果日前发表在《自然·生物医学工程》杂志上。
“团队利用人工智能蛋白结构预测工具和结构聚类方法来挖掘和筛选新的胞嘧啶脱氨酶，并提供了高效率、适用广泛的候选胞嘧啶脱氨酶用于构建胞嘧啶碱基编辑器，有力推进胞嘧啶碱基编辑器在生物医学和农业育种等领域的应用。”论文通讯作者、中国农业科学院深圳农业基因组研究所研究员左二伟告诉记者。
修改特定碱基更精准
“单碱基编辑器是一种革命性的基因编辑技术，能精确修改DNA分子中的单个碱基，不必像传统的基因编辑工具那样随机切割基因组或完全替换整个基因序列。单碱基编辑器利用特定的蛋白质或酶与靶向RNA结合，能够实现定点突变，从而精确调整基因的功能或表达水平。”左二伟说，这种技术极大地拓展了基因编辑的应用领域，使科学家可以更精细地探索基因的作用机制和影响，不仅在理论研究上有重要价值，也在应用实践中具有巨大潜力。
目前，研究人员已经开发出几种主要的单碱基编辑器，其中包括胞嘧啶碱基编辑器（CBE）、腺嘌呤碱基编辑器（ABE）等。
“这些编辑器相较于传统的基因编辑工具，有显著优势。首先，它们精确性更高，只修改特定碱基，而不会对周围的基因序列造成改变。例如，CBE可利用胞嘧啶脱氨酶将靶位点的胞嘧啶转变为胸腺嘧啶；ABE则通过将特定的腺嘌呤直接转变为鸟嘌呤，精确地修正单个碱基，而不影响其余基因组结构。其次，相较于被称为“基因剪刀”的基因组编辑器CRISPR-Cas9需要引入双链断裂修复机制，单碱基编辑器可以在不切断基因组双链的情况下对靶位点进行精确修改，有助于保持基因组的稳定性。”左二伟说。
此外，单碱基编辑器还能够在无需大规模替换DNA的情况下，实现对基因功能的精确调节，节省了时间和资源，提高了操作效率。
左二伟介绍，单碱基编辑器因其精确、高效、安全的特性，正逐渐成为基因编辑领域的重要工具。
基于AI的蛋白结构预测更高效
为了让单碱基编辑器这个基因编辑的“利器”锋芒更盛，研究人员对其展开了进一步的研究。
上述中国农业科学院深圳农业基因组研究所创新团队取得的最新研究成果便是其中一例。
作为CBE的关键蛋白酶，胞嘧啶脱氨酶的催化特征直接影响了CBE的编辑性能。
“目前常用的胞嘧啶脱氨酶在基因编辑过程中存在效率不够高、有明显的序列偏好性以及潜在的脱靶风险等问题。因此，发现具有新功能特性的胞嘧啶脱氨酶对于提升和扩展CBE的编辑性能至关重要。”论文第一作者、中国农业科学院深圳农业基因组研究所博士后徐奎告诉记者。
传统方法主要依赖蛋白质的一级序列信息通过序列保守性比对和分类来实现对新蛋白的筛选。然而，这种方式忽略了影响蛋白功能的关键因素——蛋白质的三维结构。近年来，随着AlphaFold2等人工智能技术的发展，能够快速预测给定蛋白序列的三维结构，通过规模化分析和分类蛋白结构，极大地推动了新功能蛋白的挖掘效率。
“本研究利用AlphaFold2生成了大量自然界中存在的胞嘧啶脱氨酶的三维结构预测，并根据结构相似性对这些脱氨酶进行了聚类。从每个聚类中选择了具有代表性的脱氨酶进行碱基编辑活性检测。通过这种方法，我们筛选出多种具有显著特征的脱氨酶，它们展示出高编辑效率、编辑效率与脱靶效应之间的更佳平衡以及编辑窗口的多样性。”徐奎说。
特别值得注意的是，该研究发现了几种在编辑位点序列上不具偏好性的胞嘧啶脱氨酶，能够无选择性地编辑不同的基因序列，这一发现尚属首次。“这项研究凸显了基于人工智能的蛋白结构预测工具在挖掘和筛选新功能蛋白方面的巨大潜力，并提供了新的候选胞嘧啶脱氨酶用于构建CBE。”徐奎说。
基础和应用研究潜力巨大
单碱基编辑器在生物医学和农业育种领域展现出广泛的应用潜力。
“在生物医学领域，单碱基编辑器的应用主要集中在遗传病治疗方面。遗传病往往由单碱基突变引起，如囊性纤维化和镰状细胞贫血等。传统治疗方法通常是对症处理，难以根治。单碱基编辑技术的出现为这些突变的精确修复提供了新的途径。”左二伟说，例如，利用CBE或ABE可以直接修复基因组中的有害突变，恢复正常基因功能。这种精准的基因修复不仅能够提高治疗效果，减少不良副作用，还有望改善患者的生活质量。
此外，单碱基编辑技术在癌症治疗和免疫疗法领域也展现了潜力。例如，通过定点修复癌症相关基因的突变，可以有效提升免疫疗法的治疗效果，并减少肿瘤细胞的耐药性。
“在农业领域，单碱基编辑技术被广泛应用于改良作物和家畜的性状。例如，通过CBE或ABE可以精确调控农作物的抗病性、耐旱性和产量等重要性状，从而提高农作物的适应性和经济价值。这种精准改良不仅有助于缓解全球粮食安全压力，还能减少对化学农药的依赖，保护环境和生物多样性。”左二伟说。
此外，单碱基编辑技术在基础科学研究中也发挥着重要作用。通过精确修改特定基因的功能区域，科学家可以深入探索基因的调控机制。例如，研究人员可以利用单碱基编辑技术研究基因的启动子区域或调控元件，揭示其在细胞分化、发育和疾病发生中的作用机制。这为理解生命的基本规律提供了新的实验手段。
“随着技术的不断进步和应用的拓展，预计单碱基编辑技术将成为未来基因编辑领域的关键技术之一，给人类健康、食品安全和生物多样性保护带来深远影响。”左二伟说。
