當(dāng)基因編輯插上人工智能的翅膀,“大禮包”來(lái)了_天天快報(bào)
給基因編輯插上人工智能的翅膀會(huì)發(fā)生什么
?(資料圖片僅供參考)
中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所(以下簡(jiǎn)稱遺傳發(fā)育所)研究員高彩霞和團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一次試水
,意外為基因編輯新“利器”的挖掘開辟了一片嶄新的天地。基因編輯技術(shù)自2012年誕生以來(lái)就被喻為“上帝的手術(shù)刀”
,打開了人類改寫生命基因密碼的大門。2020年,這項(xiàng)對(duì)生命科學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生顛覆性影響的工具眾望所歸地獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。為了讓這這把“手術(shù)刀”更精準(zhǔn)、高效,科學(xué)家們還在不斷向前推動(dòng)著這一技術(shù)的研究邊界。近期
,高彩霞和團(tuán)隊(duì)開創(chuàng)性地運(yùn)用AlphaFold2輔助蛋白結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè),并對(duì)不同蛋白基于結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類,開發(fā)出一系列堿基編輯新利器,它們?cè)卺t(yī)學(xué)和農(nóng)業(yè)方面具有廣泛的應(yīng)用潛力“這項(xiàng)研究在多個(gè)方面都令人興奮
一次試水
高彩霞團(tuán)隊(duì)是中國(guó)農(nóng)業(yè)基因編輯領(lǐng)域的一張名片
2013年,高彩霞帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)發(fā)表了世界上第一篇CRISPR基因編輯植物的研究論文
“當(dāng)一項(xiàng)技術(shù)具有顛覆性時(shí),科學(xué)家總會(huì)考慮它的缺點(diǎn),然后讓它更完善
十余年來(lái)
1.0時(shí)代的基因編輯
2.0時(shí)代的基因編輯
不過(guò)
現(xiàn)有堿基編輯系統(tǒng)的核心元件——脫氨酶來(lái)源于單一家族,在基因編輯過(guò)程中存在效率不夠高
“比如在實(shí)現(xiàn)字母C-T的轉(zhuǎn)變過(guò)程中,如果C的前面是G
同時(shí)
能否挖掘出新的脫氨酶
2021年,在實(shí)驗(yàn)室的一次例行組會(huì)上
一直以來(lái)
“比如AlphaFold2讓我們一天就能高通量地構(gòu)建300多個(gè)蛋白的結(jié)構(gòu)
研究團(tuán)隊(duì)首先通過(guò)AlphaFold2對(duì)代表性的283個(gè)具有脫氨潛力的蛋白質(zhì)序列進(jìn)行了結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)
“現(xiàn)有rAPOBEC1脫氨酶家族成員都來(lái)自于真核生物(主要包括人、哺乳動(dòng)物或魚類)
“小試牛刀”
基于蛋白結(jié)構(gòu)分類
,研究者成功開發(fā)了一系列具有中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的堿基編輯新“利器”。讓他們驚喜的是
,在對(duì)具有活性的新脫氨酶家族進(jìn)行功能驗(yàn)證時(shí),他們發(fā)現(xiàn)此前被認(rèn)為具有雙鏈DNA脫氨功能的SCP1.201蛋白家族中的大部分蛋白其實(shí)只具有單鏈DNA脫氨的活性。這一顛覆性的認(rèn)知讓他們判斷:這個(gè)家族可能存在更精準(zhǔn)、高效的基因編輯工具。他們對(duì)這個(gè)蛋白家族的所有成員一一進(jìn)行了分析
,得到了一個(gè)“大禮包”。研究者發(fā)現(xiàn),其中一些脫氨酶(如雙鏈堿基編輯系統(tǒng)中的Ddd9)可實(shí)現(xiàn)常規(guī)系統(tǒng)難以靶向的GC偏好堿基的編輯
;一些脫氨酶(如單鏈堿基編輯系統(tǒng)中Sdd7和Sdd3)展現(xiàn)出非常高的編輯活性和明顯的GC序列偏好性;還有一些脫氨酶(Sdd6)在測(cè)試的位點(diǎn)中幾乎檢測(cè)不到脫靶事件。他們還打造了這些堿基編輯工具的“迷你版”
他們同時(shí)在動(dòng)物和植物中對(duì)這些堿基編輯工具“小試牛刀”
更重要的是
“這項(xiàng)研究展示了多個(gè)令人興奮的前景
。”該文章的一位國(guó)際審稿人說(shuō),首先,研究利用AlphaFold2進(jìn)行的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分析是一種具有普適性的新概念和方法;其次,許多新的脫氨酶結(jié)構(gòu)域的鑒定為堿基編輯領(lǐng)域增加了有價(jià)值的工具;此外,堿基編輯技術(shù)在大豆植株中的應(yīng)用為該方法的有效性提供了有力的例證。“從源頭上探索自己的工具”
“這項(xiàng)研究太漂亮了!是一個(gè)非常完美的工作
!”新成果發(fā)表后,領(lǐng)域內(nèi)的老朋友、美國(guó)科學(xué)院院士Dan Voytas通過(guò)郵件向高彩霞道賀。對(duì)此
,高彩霞表示:“當(dāng)前越來(lái)越多的研究成果都是相互站在巨人肩膀上,才能實(shí)現(xiàn)“1+1>2的效果。這項(xiàng)研究也不例外?div id="4qifd00" class="flower right">據(jù)介紹
,這些全新工具已申請(qǐng)相關(guān)發(fā)明專利。高彩霞希望能夠從源頭上探索自己的基因組編輯工具,夯實(shí)我國(guó)基因組編輯生物育種的技術(shù)專利池。“目前,基因組編輯技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到3.0時(shí)代
,其中最關(guān)鍵的問(wèn)題就是解決大片段編輯的‘短板’,實(shí)現(xiàn)Kb(千字節(jié))級(jí)的大片段DNA甚至是染色體水平的精準(zhǔn)編輯?div id="4qifd00" class="flower right">今年4月
,高彩霞和團(tuán)隊(duì)將引導(dǎo)編輯和位點(diǎn)特異性重組酶結(jié)合開發(fā)了PrimeRoot系統(tǒng),在水稻和玉米中實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)達(dá)11.1 Kb的大片段DNA的高效精準(zhǔn)定點(diǎn)插入科學(xué)無(wú)極限。為讓基因組編輯這把改造遺傳密碼的利器更加得心應(yīng)手
,他們?nèi)栽诶^續(xù)探索。相關(guān)論文信息:
DOI:10.1016/j.cell.2023.05.041
新研究部分共同作者。(從左至右分別為林秋鵬
、賀子欣、黃佳穎、高彩霞、費(fèi)宏源、李運(yùn)嘉)受訪者供圖關(guān)鍵詞:
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