Учёные разработали новые инструменты для редактирования оснований с помощью кластеризации белковых структур, предсказанных ИИ

Группа Гао Цайся из Института генетики и биологии развития Китайской академии наук впервые применила методы с использованием искусственного интеллекта (ИИ) для обнаружения новых деаминазных белков с уникальными функциями с помощью предсказания и классификации структур.

Этот подход открыл новые возможности для обнаружения и создания желаемых генетических признаков у растений. Результаты опубликованы в журнале Cell.

Проблема поиска новых белков

Поиск новых белков и использование разнообразных инженерных ферментов способствовали быстрому прогрессу в биотехнологии. Однако текущие методы поиска в основном полагаются на аминокислотные последовательности, которые не могут обеспечить надёжную связь между структурной информацией белка и его функцией.

Редактирование оснований и его ограничения

Редактирование оснований — это новая технология прецизионного редактирования генома, которая может революционизировать молекулярную селекцию сельскохозяйственных культур. Обнаружение нескольких деаминаз расширило возможности цитозинового редактирования оснований. Хотя традиционные методы, основанные на последовательностях, выявили множество белков для использования в качестве редакторов оснований, ограничения в редактировании специфических последовательностей ДНК или у определённых видов всё ещё сохраняются.

Новый подход на основе структур

Используя AlphaFold2 для предсказания структур белков семейства деаминаз, исследователи провели кластеризацию и анализ деаминаз на основе структурного сходства. Они идентифицировали пять новых кластеров деаминаз с активностью дезаминирования цитидина в контексте редакторов оснований ДНК.

С помощью этого подхода они также переклассифицировали группу цитидиндеаминаз, называемых SCP1.201, которые ранее считались действующими на двуцепочечную ДНК (dsDNA), и установили, что они осуществляют дезаминирование в основном на одноцепочечной ДНК (ssDNA).

Разработка новых редакторов оснований

В результате последующего профилирования белков и инженерных усилий была разработана серия новых редакторов оснований ДНК с выдающимися характеристиками. Эти деаминазы демонстрируют такие свойства, как:

• Более высокая эффективность.
• Меньшее количество нецелевых редактирований.
• Редактирование в различных предпочтительных мотивах последовательностей.
• Значительно меньший размер.

Ключевые достижения

• Разработана самая маленькая цитидиндеаминаза, специфичная к одноцепочечной ДНК, что позволило впервые эффективно упаковать редактор цитозиновых оснований в единый адено-ассоциированный вирус.
• Обнаружена высокоэффективная деаминаза из этого кластера, специально для растений сои — важной сельскохозяйственной культуры, которая ранее плохо редактировалась цитозиновыми редакторами оснований.

Значение исследования

Это исследование демонстрирует подход, который использует только суперсемейство цитидиндеаминаз для разработки серии новых технологий и раскрытия новых функций белков. Эти вновь обнаруженные деаминазы, основанные на предсказаниях структур с помощью ИИ, значительно расширяют возможности применения редакторов оснований в терапевтических и сельскохозяйственных целях.

Исследование будет представлять широкий интерес для научного сообщества в областях филогенетики, метагеномики, белковой инженерии и эволюции, редактирования генома и селекции растений.