文章信息

文章題目：Discovery of deaminase functions by structure-based protein clustering

期刊：Cell

發(fā)表時(shí)間：2023年6月27日

主要內容：中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所高彩霞研究組，在Cell雜志上發(fā)表了文章Discovery of deaminase functions by structure-based protein clustering，該研究創(chuàng )新性地運用AI輔助的大規模蛋白結構預測，建立起全新的基于三級結構的高通量蛋白聚類(lèi)方法，實(shí)現了脫氨酶功能結構的深入挖掘，鑒定到完全區別于已知脫氨工具酶的全新底盤(pán)元件，并成功開(kāi)發(fā)了一系列具有我國自主知識產(chǎn)權的新型堿基編輯工具。

原文鏈接：https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(23)00593-7

使用TransGen產(chǎn)品：

TransDetect^? PCR Mycoplasma Detection Kit (FM311)

研究背景

蛋白質(zhì)是生命活動(dòng)的主要承擔者。通過(guò)對蛋白質(zhì)進(jìn)行功能聚類(lèi)，是理解其參與的生理過(guò)程、設計新型蛋白質(zhì)等的重要手段?，F有的方法主要根據氨基酸一級序列的相似性對蛋白質(zhì)進(jìn)行聚類(lèi)分析，并以此推斷其功能和演化關(guān)系。但是，蛋白質(zhì)功能由其三維空間結構所決定，開(kāi)發(fā)基于三維結構的高通量蛋白質(zhì)聚類(lèi)方法，將為蛋白質(zhì)的功能研究提供更直接、可靠的手段，并推動(dòng)未知蛋白質(zhì)的功能挖掘。

堿基編輯系統可以實(shí)現單核苷酸精度的DNA或RNA精準編輯，是基因功能研究、疾病治療、生物育種的變革性技術(shù)。然而，現有堿基編輯系統的核心元件脫氨酶來(lái)源于單一家族，導致堿基編輯仍有諸多局限，編輯尚難以滿(mǎn)足多元化的應用需求。而且，現有堿基編輯系統的底層專(zhuān)利由國外持有，我國亟需擁有具自主知識產(chǎn)權的堿基編輯系統。脫氨酶是堿基編輯系統的核心元件，因此，創(chuàng )新地挖掘新型脫氨酶，開(kāi)發(fā)適用于不同應用場(chǎng)景的新型堿基編輯工具顯得十分重要。

文章概述

首先，研究人員通過(guò)蛋白質(zhì)結構預測模型AlphaFold2對具有代表性的脫氨功能序列進(jìn)行批量三維結構預測，進(jìn)一步創(chuàng )新性地開(kāi)展了基于三維結構的蛋白質(zhì)多重比對與聚類(lèi)，成功將潛在的脫氨酶劃分為20個(gè)不同的分支。除已報道的APOBEC/AID胞嘧啶脫氨酶外，研究人員又檢測到了5個(gè)結構、序列全新的具有活性的胞嘧啶脫氨酶分支。在這些分支中，研究人員對具有類(lèi)DddA（Double-stranded DNA deaminase toxin A-like）脫氨結構域的蛋白進(jìn)行進(jìn)一步結構聚類(lèi)和功能驗證，發(fā)現此前被認為具有雙鏈DNA脫氨功能的DddA-like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，該結果顛覆了之前對該類(lèi)蛋白功能的認知。

以上研究表明，當蛋白集合的序列同源性較低且功能多樣時(shí)，相比于傳統的基于氨基酸一級序列的聚類(lèi)方法，通過(guò)AI輔助的蛋白質(zhì)結構聚類(lèi)能夠得到更準確的結果。因此，該方法為蛋白質(zhì)功能分析和挖掘提供了一個(gè)高效、可靠的新策略。

隨后，研究人員基于上述進(jìn)一步聚類(lèi)的結果，全新鑒定到45個(gè)單鏈胞嘧啶脫氨酶（Sdd）和13個(gè)雙鏈胞嘧啶脫氨酶（Ddd）。這些脫氨酶是目前唯一全部來(lái)自于原核生物（細菌）的脫氨酶，而現有APOBEC/AID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(yú)類(lèi)）。研究人員基于這些脫氨酶開(kāi)發(fā)了一系列新型堿基編輯系統，并在動(dòng)、植物細胞中進(jìn)行了測試。結果表明，新開(kāi)發(fā)的基于Ddd1和Ddd9脫氨酶的雙鏈堿基編輯系統克服了常規編輯器對GC序列編輯效率明顯降低的缺陷；基于Sdd7和Sdd3的單鏈堿基編輯系統展現出了非常高的編輯活性，在GC序列同樣具有可觀(guān)的堿基編輯能力；基于Sdd6的單鏈堿基編輯系統則展現出了極高的特異性，幾乎檢測不到脫靶事件。

進(jìn)一步分析，研究人員通過(guò)蛋白理性設計和功能驗證，開(kāi)發(fā)了新型的可被單個(gè)腺相關(guān)病毒（AAV）包被的Sdd6-CBE堿基編輯器，在小鼠細胞系中成功獲得高達43.1%的編輯效率， 解決了常規堿基編輯器過(guò)大而無(wú)法被腺病毒顆包被遞送的難題。更重要的是，研究人員新開(kāi)發(fā)的Sdd7-CBE系統，克服了大豆中長(cháng)期存在的堿基編輯效率低下的問(wèn)題，他們在154株大豆陽(yáng)性苗中獲得了34株穩定編輯的植株，編輯效率高達22.1%。這些脫氨酶是目前唯一全部來(lái)自于原核生物（細菌）的脫氨酶，而現有APOBEC/AID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(yú)類(lèi)）。研究突破了現有脫氨酶的應用瓶頸，展現出新型堿基編輯系統在醫學(xué)和農業(yè)方面廣泛的應用前景。

基于A(yíng)I輔助的蛋白結構聚類(lèi)挖掘脫氨酶并開(kāi)發(fā)具有新特性的堿基編輯系統

綜上，該項工作為蛋白功能分析、新功能元件挖掘提供了全新策略。新研發(fā)的堿基編輯系統是具有我國自主知識產(chǎn)權的精準基因編輯技術(shù)，有望打破堿基編輯底層專(zhuān)利壟斷，將幫助我國在未來(lái)的生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)競爭中處于有利地位。

全式金產(chǎn)品支撐

優(yōu)質(zhì)的試劑是科學(xué)研究的利器。全式金的PCR法支原體檢測產(chǎn)品TransDetect^? PCR Mycoplasma Detection Kit (FM311)助力本研究。

TransDetect^? PCR Mycoplasma Detection Kit (FM311)

本產(chǎn)品通過(guò)PCR方法檢測培養細胞等生物材料中的支原體，針對支原體16S rRNA序列保守區域設計特異引物，直接使用細胞培養液作為模板，特異性擴增支原體DNA，具有操作簡(jiǎn)便、快速（2小時(shí)內即可出結果）、特異性強、靈敏度高的特點(diǎn)。自上市以來(lái)多次榮登Cell、Nature等知名期刊，助力科學(xué)研究。

產(chǎn)品特點(diǎn)：

● 靈敏度高，可檢測低至20個(gè)拷貝的支原體。

● 特異性強，只擴增支原體DNA，真核細胞和細菌DNA不被擴增。

● 操作簡(jiǎn)便，無(wú)需提取基因組DNA，適合大量細胞樣品的檢測。

● 配有陽(yáng)性對照與陰性對照，保證PCR檢測結果的準確性。

實(shí)驗數據：

全式金產(chǎn)品再一次登上Cell期刊，證明了大家對全式金產(chǎn)品品質(zhì)和實(shí)力的認可，也完美詮釋了全式金一直以來(lái)秉承的“品質(zhì)高于一切，精品服務(wù)客戶(hù)”的理念。全式金始終在助力科研的道路上砥礪前行，希望未來(lái)能與更多的科研工作者并肩奮斗，用更多更好的產(chǎn)品持續助力科研。

使用TransDetect^? PCR Mycoplasma Detection Kit(FM311)產(chǎn)品發(fā)表的部分文章：

? Huang J Y, Lin Q P, Fei H Y, et al. Discovery of deaminase functions by structure-based protein clustering [J].Cell, 2023.

? Lei Z X, Meng H W, Liu L L, et al. Mitochondrial base editor induces substantial nuclear off-target mutation [J]. Nature, 2022.

? Nian Z G, Zheng X H, Do Y C, et al. Rapamycin pretreatment rescues the bone marrow AML cell elimination capacity of CAR-T cells [J]. Clinical cancer research, 2021.

? Xu D C, Zhao H, Jin M Z, et al. Modulating TRADD to restore cellular homeostasis and inhibit apoptosis [J]. Nature, 2020.