Nature：伊成器/李大力合作開(kāi)發(fā)基于AlphaFold3的AI框架，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)DNA堿基編輯

撰文丨王聰

編輯丨王多魚(yú)

排版丨水成文

在生物化學(xué)轉(zhuǎn)化中實(shí)現(xiàn)高特異性，對(duì)于研究和治療至關(guān)重要。這對(duì)于基因組編輯尤為重要，因?yàn)樘岣呋蚓庉嫻ぞ叩奶禺愋裕纱_保實(shí)現(xiàn)高效且精準(zhǔn)的編輯效果。然而，當(dāng)前的基因編輯工具優(yōu)化策略受到編輯活性和編輯特異性之間的權(quán)衡、勞動(dòng)密集性高以及成功率低等限制。

2026 年 7 月 22 日，北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院伊成器團(tuán)隊(duì)聯(lián)合華東師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院李大力團(tuán)隊(duì)，在Nature期刊發(fā)表題為：Precise DNA base editing using AlphaFold3-based contact modelling 的研究論文。

該研究開(kāi)發(fā)了一個(gè) AI 驅(qū)動(dòng)的框架——ContactSeek，利用AlphaFold3預(yù)測(cè)的接觸概率（contact probability，CP），系統(tǒng)識(shí)別Cas 蛋白和脫氨酶中決定編輯特異性的關(guān)鍵氨基酸殘基，進(jìn)而對(duì)堿基編輯器進(jìn)行工程化改造，并在基于 Cas9 的腺嘌呤堿基編輯器和基于 Cas12a 的胞嘧啶堿基編輯器中得到了驗(yàn)證，顯著提高了編輯特異性，為實(shí)現(xiàn)基因編輯工具的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)建立了新范式。

CRISPR-Cas9技術(shù)的發(fā)展通過(guò)為研究人員提供一種簡(jiǎn)便的方法，在基因組的特定位置對(duì) DNA 進(jìn)行修改，這徹底改變了生物學(xué)和醫(yī)學(xué)。這種基因編輯系統(tǒng)包含一個(gè) gRNA，其可被編程以識(shí)別目標(biāo) DNA 序列，從而將 Cas9 蛋白引導(dǎo)至指定位置進(jìn)行切割。最初，這項(xiàng)技術(shù)用于敲除目標(biāo)基因，此后被擴(kuò)展到堿基編輯——將 DNA 修飾酶（例如脫氨酶）連接到經(jīng)過(guò)改造的 Cas9 蛋白（切割活性喪失的 dCas9）上，能夠在不引發(fā) DNA 雙鏈斷裂（DSB）的情況下實(shí)現(xiàn)單個(gè)堿基的轉(zhuǎn)換，被認(rèn)為比 CRISPR-Cas9 更安全。

然而，精準(zhǔn)性仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。盡管堿基編輯器被設(shè)計(jì)用于修改特定的核苷酸，但它們也可能引入非預(yù)期的編輯，即所謂的脫靶編輯。一種錯(cuò)誤來(lái)源是脫靶 DNA 編輯，即 gRNA 將 Cas9 蛋白引導(dǎo)至基因組中與目標(biāo)序列高度相似的其他 DNA 區(qū)域，導(dǎo)致這些位點(diǎn)被意外編輯。另一種是旁觀者編輯，即目標(biāo)位點(diǎn)附近的一些堿基被脫氨酶無(wú)意地修飾。這些脫靶編輯共同限制了堿基編輯的安全性和治療潛力。

目前，科學(xué)家們的主要努力方向是使這些堿基編輯工具能夠更特異性地區(qū)分目標(biāo)位點(diǎn)，同時(shí)不損害其編輯活性。目前已開(kāi)發(fā)出一些特定的 Cas9 變體，可最大限度地減少這種特異性和編輯活性之間的權(quán)衡。這些 Cas9 變體可能與 DNA 形成較弱的非特異性相互作用,但尚不清楚 Cas9 中具體哪些氨基酸殘基可以進(jìn)一步改造以最大化保真度。結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究揭示了 Cas9 在結(jié)合和編輯 DNA 時(shí)的構(gòu)象變化，但由于缺乏 Cas9 變體與脫靶序列相互作用的高分辨率圖像，限制了進(jìn)一步深入理解其作用機(jī)制所需的信息。

在此背景下，基于人工智能（AI）的結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)提供了另一條前進(jìn)路徑。AlphaFold2徹底改變了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)方式，而AlphaFold3則將這一能力擴(kuò)展到了生物分子復(fù)合物，包括蛋白質(zhì)-核酸組裝體。

在這項(xiàng)最新研究中，研究團(tuán)隊(duì)以一種富有創(chuàng)意的方式利用了上述進(jìn)展。他們并不是簡(jiǎn)單地使用 AlphaFold3 來(lái)預(yù)測(cè) Cas9 與 gRNA 及目標(biāo) DNA 結(jié)合的三元復(fù)合物結(jié)構(gòu)模型，而是利用它來(lái)挖掘更細(xì)微的“接觸概率”（Contact Probability，CP）——即用于估算 Cas9 與 DNA 之間特定分子相互作用形成可能性的信號(hào)。通過(guò)將數(shù)千個(gè)脫靶復(fù)合物的預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)與其靶向復(fù)合物進(jìn)行比較，用于識(shí)別 Cas9 結(jié)合脫靶序列時(shí)更傾向于形成的相互作用。這些信息可進(jìn)一步用于設(shè)計(jì) Cas9 變體，使其形成此類相互作用的強(qiáng)度降低，從而最小化脫靶結(jié)合。

為實(shí)施這一策略，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一個(gè) AI 驅(qū)動(dòng)的框架——ContactSeek，可精準(zhǔn)識(shí)別 Cas9 蛋白中在脫靶復(fù)合物中優(yōu)先發(fā)生相互作用的氨基酸殘基，從而將這些氨基酸殘基確定為工程改造的候選位點(diǎn)。該方法還被用于分析與 Cas9 配對(duì)以編輯特定核苷酸的脫氨酶。例如，在編輯腺嘌呤堿基的Cas9-TadA組合中，研究團(tuán)隊(duì)鑒定并結(jié)合了兩種氨基酸替換，分別是 Cas9（K1020D）和 TadA（F156D），并將其命名為 ABE8e-DD，與現(xiàn)有的腺嘌呤堿基編輯器（ABE），其具有更強(qiáng)的編輯選擇性。其在多個(gè)位點(diǎn)的編輯效率保持了 ABE8e 的 90% 以上，且 RNA 水平的脫靶降到接近背景水平，gRNA 依賴的 DNA 脫靶相比三個(gè)熱門(mén) ABE8e 高保真變體降低 90% 以上。

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將該策略擴(kuò)展至編輯胞嘧啶堿基的 Cas12a-APOBEC3A 組合，生成了既能降低脫靶活性又保持靶向性的變體——Cas12a（R284E）–APOBEC3A（H29D）。

為了證明 ContactSeek 不是專為 Cas9 量身定做的特例，研究團(tuán)隊(duì)將其應(yīng)用于基于 Cas12a 的胞嘧啶堿基編輯器（CBE）中。Cas12a 和 Cas9 結(jié)構(gòu)不同、識(shí)別位點(diǎn)不同、與 DNA-RNA 的互作方式也不一樣，但 ContactSeek 依然給出了漂亮答案——組合變體 Cas12a（R284E）–APOBEC3A（H29D），既能降低脫靶活性又保持靶向性。

大多數(shù)針對(duì) Cas9 的工程化研究都始于實(shí)驗(yàn)測(cè)定的結(jié)構(gòu)，利用這些結(jié)構(gòu)來(lái)識(shí)別適合替換的氨基酸殘基。但這項(xiàng)新研究采取了不同的方法，使用 AlphaFold3 預(yù)測(cè)的模型來(lái)提取蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)所需的相互作用層面的見(jiàn)解。這項(xiàng)研究更廣泛意義在于，通過(guò)減少因潛在噪聲輸入數(shù)據(jù)而導(dǎo)致的單個(gè)預(yù)測(cè)中的不完美之處，大規(guī)模應(yīng)用基于 AI 的結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)能夠揭示那些原本難以發(fā)現(xiàn)的分子接觸。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-026-10794-z