通过将CRISPR技术与人工智能设计的蛋白质相结合

通过将CRISPR技术与人工智能设计的蛋白质相结合，可以通过禁用使它们沉默的化学“关闭开关”来唤醒单个休眠基因。西雅图华盛顿大学医学院的研究人员在《细胞报告》杂志上描述了这一发现。

威斯康星大学干细胞和再生医学研究所(ISCRM)的博士后研究员ShiriLevy说，这种方法将使研究人员能够了解个体基因在正常细胞生长和发育、衰老以及癌症等疾病中所起的作用。论文的第一作者。

“这种方法的美妙之处在于，我们可以安全地上调特定基因以影响细胞活性，而不会永久改变基因组并导致意外错误，”Levy说。

该项目由生物化学教授兼ISCRM副主任HanneleRuohola-Baker领导。AI设计的蛋白质是在威斯康星大学蛋白质设计医学研究所(IPD)的领导下开发的，大卫贝克也是生物化学教授和IPD负责人。

这项新技术通过靶向化学修饰来控制基因活性而不改变基因组的DNA序列，这些化学修饰有助于将基因包装在我们的染色体中并调节它们的活性。因为这些修饰不是发生在基因中，而是发生在基因之上，所以它们被称为表观遗传，来自希腊语Epi“over”或“abovethegenes”。调节基因活性的化学修饰称为表观遗传标记。

科学家们对表观遗传修饰特别感兴趣，因为它们不仅会影响正常细胞功能中的基因活性，而且表观遗传标记会随着时间的推移而积累，导致衰老，并且可以影响后代的健康，因为我们可以将它们传给我们的孩子。

在他们的工作中，Levy和她的同事专注于一种名为PRC2的蛋白质复合物，该复合物通过将一个称为甲基的小分子连接到一种包装称为组蛋白的基因的蛋白质上来使基因沉默。这些甲基必须被更新，所以如果PRC2被阻断，它已经沉默的基因。它可以被重新唤醒。

PRC2在整个发育过程中都很活跃，但在生命的最初几天发挥着特别重要的作用，此时胚胎细胞分化成各种细胞类型，这些细胞类型将形成正在生长的胚胎的组织和器官。PRC2可以被化学物质阻断，但它们不精确，会影响整个基因组的PRC2功能。威斯康星大学研究人员的目标是找到一种阻断PRC2的方法，以便一次只影响一个基因。

为此，DavidBaker和他的同事使用AI创造了一种蛋白质，该蛋白质将与PRC2结合并阻断PRC2用来修饰组蛋白的蛋白质。Ruohola-Baker和Levy然后将这种设计的蛋白质与一种叫做Cas9的蛋白质的失能版本融合在一起。

Cas9是用于基因编辑过程的蛋白质，称为CRISPR。Cas9结合并使用RNA作为地址标签。该系统允许科学家通过合成特定的“地址标签”RNA，将Cas9带到基因组中的精确位置，从而在特定位点切割和剪接基因。然而，在这个实验中，Cas9蛋白的切割功能被禁用，因此基因组DNA序列保持不变。

因此，它被称为dCas9，意为“死亡”。但是，Cas9作为“车辆”将货物运送到特定位置的功能仍然有效。AI设计的阻断蛋白是dCas9-RNA构建体的货物。“dCas9就像UBER，”Levy说，“它会带你去基因组上任何你想去的地方。引导RNA就像一个乘客，告诉UBER去哪里。”

在新论文中，Levy和她的同事表明，通过使用这种技术，他们能够阻断PRC2并选择性地打开四种不同的基因。他们还能够证明他们可以通过简单地打开两个基因将诱导的多能干细胞转分化为胎盘祖细胞。

“这项技术使我们能够避免用各种生长因子和基因激活剂和阻遏剂轰击细胞以使它们分化，”利维说。“相反，我们可以针对基因转录启动子区域的特定位点，解除这些标记，让细胞以有机、整体的方式完成剩下的工作。”

最后，研究人员能够展示如何使用该技术来找到特定PRC2控制的调节区域的位置，从中激活单个基因。其中许多的位置是未知的。在这种情况下，他们确定了一个名为TBX18的基因的启动子区域(称为TATA盒)。尽管目前的想法是这些启动子区域靠近基因，但在30个DNA碱基对内，他们发现该基因的启动子区域距离基因超过500个碱基对。

“这是一个非常重要的发现，”Ruohola-Baker说。“TATA盒分散在整个基因组中，目前生物学中的想法是，重要的TATA盒非常靠近基因转录位点，而其他的似乎无关紧要。这个工具的强大之处在于它可以找到关键的PRC2依赖元素，在这种情况下，TATA框很重要。”

表观遗传修饰修饰了正常和异常细胞中基因组的广泛区域。然而，对于表观遗传修饰的最小功能单元仍然知之甚少，Ruohola-Baker指出，“借助AI设计的蛋白质和CRISPR技术这两项进步，我们现在可以找到对基因表达很重要的精确表观遗传标记，了解规则并利用它们来控制细胞功能、驱动细胞分化和开发21世纪的疗法。”

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