研究人员使用机器学习建模工具来改进锌指核酸酶编辑技术

　　

基因组编辑正在进入生物医学研究和医学领域。日本一个研究小组利用生物分子建模工具，加快了锌指核酸酶(ZFN)技术的步伐，并降低了成本。锌指核酸酶是一种主要的基因编辑工具。

在最近发表的一项研究中，来自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装配系统如何改善基因编辑。

这项研究发表在4月10日的《高级科学》杂志上。

广岛大学基因组编辑创新中心副教授片山修太说:“基因组编辑是在许多不同领域治疗遗传疾病的一种很有前途的工具。”“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成破坏DNA分子多核苷酸链内的某些键，由两个融合在一起的结构域组成:DNA结合和DNA切割结构域。锌指(ZF)蛋白结合域识别完整基因组内的目标DNA序列，而切割域涉及一种称为ND1内切酶的特殊DNA切割酶。

与CRISPR/Cas9和TALEN相比，ZFN具有一些优势:首先，与CRISPR-Cas9不同，ZFN的专利已经过期，因此无法用于工业应用的高额专利使用费。其次，ZFN更小，使得编码ZFN的DNA可以很容易地包装成病毒载体，在体内和临床应用中具有有限的货物空间。

要切割DNA，两个zfn必须结合。因此，它们必须成对设计，以便在任何新站点上都能发挥作用。然而，构建功能性ZFNs并提高其基因组编辑效率具有挑战性。

Katayama说:“我们已经在为新的基因组目标提供锌指组的方法上取得了巨大的进步，但我们在设计和选择方法上仍有改进的空间。”

基于选择的方法可用于构建组装的ZF蛋白，但这些方法是劳动密集型和耗时的。构建组装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具有少量功能ZFN对，测试的ZFN对故障率为94%。

在他们的研究中，来自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，为基因编辑创造一种更有效、更容易构建的锌指核酸酶。

在zfn的设计中一个重要的考虑是锌指的数量，需要有效和特定的解理。该团队假设，ZF模块的模块化组装将有助于构建具有五个或六个手指的zfn。

在论文中，研究小组提出了一种利用AlphaFold、Coot和Rosetta三种生物分子建模工具提高功能性zfn构建效率和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ZFNs进行工程化，使基因组编辑效率提高了5%，证明了基于结构建模的ZFNs工程化的有效性。

这项研究是由创新中心(COI)项目支持的。

其他贡献者包括来自国家先进工业科学技术研究所的Masahiro Watanabe和Yoshio Kato，以及来自广岛大学的Wataru Nomura和Takashi Yamamoto。