給基因編輯插上人工智能的翅膀會發(fā)生什么？
中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所（以下簡稱遺傳發(fā)育所）研究員高彩霞和團隊進行了一次試水，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，這項對生命科學(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。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著這一技術(shù)的研究邊界。
(相關(guān)資料圖)
近期，高彩霞和團隊開創(chuàng)性地運用AlphaFold2輔助蛋白結(jié)構(gòu)預(yù)測，并對不同蛋白基于結(jié)構(gòu)進行分類，開發(fā)出一系列堿基編輯新利器，它們在醫(yī)學(xué)和農(nóng)業(yè)方面具有廣泛的應(yīng)用潛力。相關(guān)研究6月27日在線發(fā)表于《細(xì)胞》。
“這項研究在多個方面都令人興奮?！痹摽晃粐H審稿人說。
一次試水
高彩霞團隊是中國農(nóng)業(yè)基因編輯領(lǐng)域的一張名片。
2013年，高彩霞帶領(lǐng)團隊發(fā)表了世界上第一篇CRISPR基因編輯植物的研究論文。十年來，他們不斷完善著這把生命科學(xué)的“手術(shù)刀”，獲得的基因編輯技術(shù)專利可占據(jù)國內(nèi)半壁江山，并探索了這些工具在水稻、小麥、玉米和番茄等農(nóng)作物在育種方面的潛力。
“當(dāng)一項技術(shù)具有顛覆性時，科學(xué)家總會考慮它的缺點，然后讓它更完善。”高彩霞對《中國科學(xué)報》說。
十余年來，基因編輯技術(shù)不斷迭代并迅猛發(fā)展。高彩霞將現(xiàn)有基因編輯技術(shù)劃分為兩個階段。
1.0時代的基因編輯，以“基因剪刀”CRISPR-Cas9技術(shù)為代表，它能在基因組特定位置產(chǎn)生DNA雙鏈斷裂，繼而通過細(xì)胞內(nèi)源修復(fù)機制產(chǎn)生隨機小片段進行插入或刪除，但產(chǎn)生的突變存在不可控性。
2.0時代的基因編輯，以堿基編輯和引導(dǎo)編輯技術(shù)為代表，其特點是“精準(zhǔn)”。所有生物的DNA都由A、T、C、G四個字母所代表的堿基組成，堿基編輯可不依賴DNA雙鏈斷裂實現(xiàn)部分特定堿基（如字母A-T、C-G、A-G）的高效精準(zhǔn)替換，但仍無法實現(xiàn)所有字母的任意轉(zhuǎn)換。在此基礎(chǔ)上，2.0+版的引導(dǎo)編輯系統(tǒng)，則可實現(xiàn)4個字母任意編輯，以及小片段DNA的精準(zhǔn)插入和刪除。
不過，這樣的基因編輯技術(shù)仍非完美無缺。
現(xiàn)有堿基編輯系統(tǒng)的核心元件——脫氨酶來源于單一家族，在基因編輯過程中存在效率不夠高、序列有偏好性以及潛在的脫靶風(fēng)險等問題。
“比如在實現(xiàn)字母C-T的轉(zhuǎn)變過程中，如果C的前面是G，C字母就很難被改變?！备卟氏寂e例，此外，這些脫氨酶在一些重要作物如大豆中效果較差，這也是長期影響作物堿基編輯育種的一個關(guān)鍵問題。
同時，作為疾病治療、農(nóng)業(yè)育種以及科學(xué)研究的基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性工具，目前堿基編輯系統(tǒng)的底層專利由美國持有，我國亟需打破堿基編輯底層專利壟斷。
能否挖掘出新的脫氨酶，解決堿基編輯現(xiàn)有挑戰(zhàn)，同時打破我國所面臨的底層專利困境？
2021年，在實驗室的一次例行組會上，高彩霞與年輕的組員們就不同期刊的前沿進展做分享交流時，人工智能“明星”AlphaFold2在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測中的突出表現(xiàn)讓他們產(chǎn)生了一個想法：何不將它與現(xiàn)有堿基編輯技術(shù)結(jié)合起來看看會發(fā)生什么？
一直以來，科學(xué)家主要通過基因序列來定向改進現(xiàn)有脫氨酶。“脫氨酶的結(jié)構(gòu)與其功能存在緊密關(guān)聯(lián)，這意味著科學(xué)家需要花費大量的時間用實驗解析相關(guān)的序列從而拿到一個蛋白的結(jié)構(gòu)。所以我們就想能不能通過人工智能找一些跟現(xiàn)有脫氨酶在結(jié)構(gòu)上相似度更高的蛋白。”高彩霞研究組博士生費宏源對《中國科學(xué)報》說。
“比如AlphaFold2讓我們一天就能高通量地構(gòu)建300多個蛋白的結(jié)構(gòu)，是傳統(tǒng)方法的很多倍?！辟M宏源補充說，經(jīng)過一段時間的摸索，聚焦生物信息學(xué)的她成為研究組的“人工智能擔(dān)當(dāng)”。
研究團隊首先通過AlphaFold2對代表性的283個具有脫氨潛力的蛋白質(zhì)序列進行了結(jié)構(gòu)預(yù)測，進一步創(chuàng)新性地基于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的多重比對，拓展了脫氨酶家族基于結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)發(fā)育分析，將其劃分為20個潛在的蛋白質(zhì)家族。進一步對每個家族中多個代表性成員進行活性檢測，他們發(fā)現(xiàn)其中6個家族具有活性，5個是全新的脫氨酶家族。
“現(xiàn)有rAPOBEC1脫氨酶家族成員都來自于真核生物（主要包括人、哺乳動物或魚類）。我們的研究挖掘出一系列全新的脫氨酶，是目前唯一全部來自于原核生物（細(xì)菌）的脫氨酶?！备卟氏佳芯拷M博士后黃佳穎說，她參與了該研究的構(gòu)思與設(shè)計。
“小試牛刀”
基于蛋白結(jié)構(gòu)分類，研究者成功開發(fā)了一系列具有中國自主知識產(chǎn)權(quán)的堿基編輯新“利器”。
讓他們驚喜的是，在對具有活性的新脫氨酶家族進行功能驗證時，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：這個家族可能存在更精準(zhǔn)、高效的基因編輯工具。
他們對這個蛋白家族的所有成員一一進行了分析，得到了一個“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）在測試的位點中幾乎檢測不到脫靶事件。
他們還打造了這些堿基編輯工具的“迷你版”。“通過AI輔助截短原有蛋白，把它包裹在單個腺病毒中可以增強遞送的靈活性，同時保留它原有基因組編輯效率?！秉S佳穎介紹。
他們同時在動物和植物中對這些堿基編輯工具“小試牛刀”，發(fā)現(xiàn)“新工具包”在醫(yī)學(xué)和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的使用潛力。其中，通過腺病毒轉(zhuǎn)染小鼠細(xì)胞，新型堿基編輯器可成功獲得高達43.1%的編輯效率，這說明基于新脫氨酶開發(fā)的堿基編輯藥物可以裝載到單個病毒顆粒并高效矯正遺傳病突變位點，為基因治療提供了全新的技術(shù)方案。
更重要的是，研究者新開發(fā)的Sdd7-CBE系統(tǒng)，克服了大豆中長期存在的堿基編輯效率低下的問題，他們在154株基因組編輯大豆中獲得了34株具有抗除草劑表型的穩(wěn)定編輯植株，相比之下，常規(guī)的基因組編輯技術(shù)獲得編輯植株的效率為零。
“這項研究展示了多個令人興奮的前景?！痹撐恼碌囊晃粐H審稿人說，首先，研究利用AlphaFold2進行的蛋白質(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”
“這項研究太漂亮了！是一個非常完美的工作！”新成果發(fā)表后，領(lǐng)域內(nèi)的老朋友、美國科學(xué)院院士Dan Voytas通過郵件向高彩霞道賀。
對此，高彩霞表示：“當(dāng)前越來越多的研究成果都是相互站在巨人肩膀上，才能實現(xiàn)“1+1＞2的效果。這項研究也不例外?！?/p>
據(jù)介紹，這些全新工具已申請相關(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，夯實我國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時代，其中最關(guān)鍵的問題就是解決大片段編輯的‘短板’，實現(xiàn)Kb（千字節(jié)）級的大片段DNA甚至是染色體水平的精準(zhǔn)編輯?！备卟氏颊f。
今年4月，高彩霞和團隊將引導(dǎo)編輯和位點特異性重組酶結(jié)合開發(fā)了PrimeRoot系統(tǒng)，在水稻和玉米中實現(xiàn)了長達11.1 Kb的大片段DNA的高效精準(zhǔn)定點插入，相關(guān)成果發(fā)表于《自然—生物技術(shù)》。這一成果表明高彩霞團隊在全球率先邁入基因組編輯3.0時代的門檻，為植物分子育種提供了更為有力的技術(shù)支撐。
科學(xué)無極限。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
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