研究人员利用机器学习建模工具改进锌指核酸酶编辑技术

发布时间：2024-06-18 16:26:34 栏目：生活

导读 基因组编辑正在向生物医学研究和医学领域迈进。通过采用生物分子建模工具，日本研究团队正在加快速度并降低锌指核酸酶 (ZFN) 技术(一种主...

基因组编辑正在向生物医学研究和医学领域迈进。通过采用生物分子建模工具，日本研究团队正在加快速度并降低锌指核酸酶 (ZFN) 技术(一种主要的基因编辑工具)的成本。



在最近发表的一项研究中，广岛大学和日本国家先进工业科学技术研究所的研究人员展示了机器学习驱动的模块化组装系统如何改进基因编辑。

该研究于4月10日发表在《 先进科学》杂志上。

广岛大学基因组编辑创新中心副教授 片山翔太表示：“基因组编辑是治疗许多不同领域遗传疾病的有前途的工具。 通过提高基因编辑技术的效率，我们可以更精确地修改活细胞中的遗传信息。”

锌指核酸酶与 CRISPR/Cas9 和 TALEN 一样，是基因组编辑领域的重要工具。这些嵌合蛋白被设计用于破坏 DNA 分子多核苷酸链中的某些键，由两个融合在一起的结构域组成：DNA 结合结构域和 DNA 切割结构域。锌指 (ZF) 蛋白结合结构域识别完整基因组内的目标 DNA 序列，而切割结构域涉及一种称为 ND1 内切酶的特殊 DNA 切割酶。

ZFN 比 CRISPR/Cas9 和 TALEN 具有一些优势：首先，与 CRISPR-Cas9 不同，ZFN 的专利已经过期，因此工业应用无需支付高额专利使用费。其次，ZFN 更小，因此 ZFN 编码 DNA 可以轻松包装到载货空间有限的病毒载体中，用于体内和临床应用。

要切割 DNA，必须将两个 ZFN 结合在一起。因此，它们必须成对设计，以便在任何新位点发挥作用。然而，构建功能性 ZFN 并提高其基因组编辑效率一直具有挑战性。

Katayama 表示：“我们在针对新基因组目标获取锌指组的方法上取得了巨大进步，但在设计和选择方法上仍有改进空间。”

可以使用基于选择的方法来构建组装的 ZF 蛋白，但这些方法需要大量劳动力且耗时。构建组装的 ZF 蛋白的另一种方法是使用标准分子生物学技术组装 ZF 模块。这种方法为研究人员提供了一种更简单的方法来构建组装的 ZF 蛋白。

然而，模块化组装的 ZFN 具有少量可功能的 ZFN 对，经测试的 ZFN 对的故障率为 94%。

在他们的研究中，广岛大学和日本国家先进工业科学技术研究所的研究人员旨在利用模块化组装系统中的公开资源，创建一种更高效、更易于构建的锌指核酸酶，用于基因编辑。

ZFN 设计中的一个重要考虑因素是高效且特异性切割所需的锌指数量。该团队推测 ZF 模块的模块化组装将有助于构建具有五个或六个锌指的 ZFN。

研究小组在论文中提出了一种利用三种生物分子建模工具：AlphaFold、Coot 和 Rosetta 来提高功能性 ZFN 的构建效率和提高其基因组编辑效率的方法。

在测试的十个ZFN中，研究人员获得了两个功能对。此外，使用AlphaFold，Coot和Rosetta对ZFN进行工程改造使基因组编辑效率提高了5%，证明了基于结构建模对ZFN进行工程改造的有效性。

该研究由创新中心 (COI) 计划支持。