基于AlphaFold3的接触模型实现精准DNA碱基编辑

《Nature》：Precise DNA base editing using AlphaFold3-based contact modelling

　　

摘要

在生化反应中实现高特异性对于研究和治疗而言至关重要。这一点在基因组编辑中尤为重要，因为提高工具的特异性能够确保编辑结果的准确性和有效性^1,2。目前的策略受到活性特异性权衡、高劳动强度以及低成功率的限制^3,4。在此，我们介绍了ContactSeek，这是一种基于人工智能的框架，它利用AlphaFold3（AF3）预测的接触概率⁵来提升基因组编辑器的特异性。以Cas9–TadA腺嘌呤碱基编辑器^6,7,8作为示例，我们分析了它们的全基因组脱靶效应，并将相关DNA序列输入到AF3中。在AF3的输出结果中，我们发现接触概率比预测的三维结构更能灵敏地检测出靶标序列与非靶标序列之间的差异性相互作用。通过将接触概率与基于测序的脱靶信号相关联，ContactSeek识别出了具有共同接触特征的序列区域，即那些与DNA/引导RNA存在持续接触变化的相邻Cas残基，并确定了其中的决定特异性的关键残基。ContactSeek还可以以模块化方式应用，用于识别TadA8e脱氨酶中的关键残基。通过靶向扩增子测序、全基因组分析、R-loop检测以及RNA测序，我们确认了该工具特异性的显著提升；我们所设计的最佳变体结合了Cas9和TadA8e的两个突变，其性能优于多种已知的高保真腺嘌呤碱基编辑器。此外，ContactSeek也可应用于基于Cas12a的胞嘧啶碱基编辑器。总体而言，我们的这一框架是一种基于AF3的模型，专为提升特异性而设计，为通过整合结构信息和功能信息来提高基因组编辑工具的精确度提供了新的思路。