kaiyun開云如果基因編輯像用剪刀裁剪DNA序列，那么如何讓這把“剪刀”更精準(zhǔn)、更高效？

　　最近，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)趙海楠團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一款名為Cas12Fold的深度學(xué)習(xí)框架，專門用于精準(zhǔn)預(yù)測CRISPR-Cas12家族蛋白的三維結(jié)構(gòu)，克服了通用結(jié)構(gòu)預(yù)測模型在處理此類高多樣性蛋白時(shí)的局限性，為基因編輯工具的理性設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。相關(guān)成果以

　　自CRISPR基因編輯技術(shù)問世以來，它已成為生命科學(xué)領(lǐng)域最強(qiáng)大的工具之一。除了廣為人知的Cas9，Cas12蛋白近年來備受關(guān)注。它體積更小、無需tracrRNA、具備非特異性單鏈DNA切割活性，在基因治療、農(nóng)業(yè)育種等方面展現(xiàn)出巨大潛力。然而，想要理性改造并優(yōu)化Cas12蛋白，首先必須看清它的三維結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法如冷凍電鏡成本高、周期長，而通用結(jié)構(gòu)預(yù)測工具（如AlphaFold2）在面對序列多樣性高、同源性低的Cas12亞型時(shí)，往往因無法提取足夠的共進(jìn)化信息而導(dǎo)致預(yù)測精度不足。

　　為解決上述問題，研究團(tuán)隊(duì)在AlphaFold2架構(gòu)基礎(chǔ)上，通過引入針對Cas12家族特性的三大優(yōu)化策略，開發(fā)了Cas12Fold框架：

　　1. 深度進(jìn)化信息挖掘：團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了包含約390萬條序列的專用數(shù)據(jù)庫 Cas12FoldDB-seq，顯著擴(kuò)充了多序列比對（MSA）的信息深度，解決了Cas12蛋白進(jìn)化信息匱乏的問題。

　　2. 基于結(jié)構(gòu)的模板篩選：建立了結(jié)構(gòu)模板庫Cas12FoldDB-struct，采用結(jié)構(gòu)相似性而非單純的序列相似性來識別關(guān)鍵模板，從而能夠有效捕獲遠(yuǎn)程同源蛋白信息。

　　3. 結(jié)構(gòu)引導(dǎo)的迭代優(yōu)化：引入了迭代優(yōu)化機(jī)制，使模型能夠利用初步預(yù)測結(jié)果進(jìn)行自我修正，逐步逼近真實(shí)結(jié)構(gòu)，甚至能夠捕捉蛋白質(zhì)在不同功能狀態(tài)下的構(gòu)象細(xì)節(jié)。

　　2. 關(guān)鍵區(qū)域更準(zhǔn)：在涉及功能的關(guān)鍵區(qū)域，如負(fù)責(zé)靶標(biāo)識別的REC結(jié)構(gòu)域和負(fù)責(zé)DNA切割的RuvC結(jié)構(gòu)域，Cas12Fold的預(yù)測準(zhǔn)確性優(yōu)勢明顯。

　　3. 催化中心細(xì)節(jié)還原：對于催化必需的DED基序，Cas12Fold能更準(zhǔn)確地預(yù)測其側(cè)鏈構(gòu)象及微環(huán)境，為理解酶活機(jī)制提供了可靠依據(jù)。

　　Cas12Fold的高精度預(yù)測能力不僅提升了結(jié)構(gòu)解析效率，還推動了對Cas12家族的新認(rèn)知與實(shí)際應(yīng)用：

　　1. 精準(zhǔn)結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確捕捉Cas12家族進(jìn)化：研究團(tuán)隊(duì)利用Cas12Fold分析了106個(gè)AlphaFold2難以預(yù)測的Cas12蛋白（dtp-Cas12s）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，其中一類蛋白（dtp-Cas12.I）雖然序列差異大，但在C端結(jié)構(gòu)域上與Casλ蛋白高度相似。這一發(fā)現(xiàn)提供了更精準(zhǔn)的Cas12分類系統(tǒng)，有助于理解Cas12家族的進(jìn)化歷程。

　　2. 指導(dǎo)理性設(shè)計(jì)：研究團(tuán)隊(duì)選取了預(yù)測難度高的Cas12j.4進(jìn)行驗(yàn)證，Cas12Fold給出了高置信度(77.9)的結(jié)構(gòu)模型，而其他工具的得分普遍低于60。通過分析這一高精度模型，研究團(tuán)隊(duì)識別出Cas12j.4中可能與DNA結(jié)合的關(guān)鍵區(qū)域，并基于結(jié)構(gòu)相似性原則，從已知功能的Cas12o1蛋白中引入N608R突變。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，該突變體在人類細(xì)胞中的基因編輯效率提升了3.3倍。

　　Cas12Fold的成功表明，在通用AI模型基礎(chǔ)上針對特定蛋白家族進(jìn)行垂直領(lǐng)域的深度優(yōu)化，是解決復(fù)雜生物大分子結(jié)構(gòu)預(yù)測難題的有效路徑。該方法未來有望擴(kuò)展至Cas9、TnpB等其他CRISPR系統(tǒng)乃至更多蛋白家族，為合成生物學(xué)和結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究提供更精準(zhǔn)的計(jì)算工具。

　　中國農(nóng)業(yè)大學(xué)分子設(shè)計(jì)育種前沿科學(xué)中心和農(nóng)學(xué)院趙海楠研究員、楊志佳副研究員為該論文的共同通訊作者。博士后徐峰（現(xiàn)為北京市農(nóng)林科學(xué)院雜交小麥研究所副研究員）、博士生趙子龍和碩士生劉暢為論文共同第一作者。博士生余鎂霞、李可、景以林和李沛洋對該工作順利實(shí)施起到重要貢獻(xiàn)。賴錦盛教授、鄂立柱副教授、辛蓓蓓副教授、陳建副教授對該工作提供了重要的指導(dǎo)和幫助。

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