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CRISPR-Cas酶已被廣泛用于基因組編輯。靶向DNA的Cas核酸酶通過讀取原間隔序列相鄰基序（protospacer adjacent motifs,PAMs，通常約2-4個核苷酸）來識別基因組靶點，然后啟動向?qū)NA(gRNA)與靶位點配對。對于基因組編輯技術(shù)來說，Cas酶的精準(zhǔn)定位至關(guān)重要。

野生型化膿性鏈球菌Cas9（SpCas9）是CRISPR-Cas基因編輯系統(tǒng)中最常用的Cas蛋白之一，但其發(fā)揮作用需要一個3’端 NGG PAM[“N”代表任意堿基（A、T、C或G），“G”代表鳥嘌呤堿基]，這限制了其應(yīng)用。

過去一些年，業(yè)界已經(jīng)工程改造出了SpCas9變異酶和其它能夠識別非典型PAMs（non-canonical PAMs）的54種Cas同源物。這些酶可以分為兩大類：1）改變PAM的酶（altered PAM enzymes，即不再偏好NGG PAM）；2）放寬PAM的酶（relaxed PAM enzymes，即在能夠識別NGG的同時，也能識別其它新的PAMs）。盡管放寬PAM的酶擴(kuò)展了能夠靶向的基因組范圍，但也導(dǎo)致了較差的特異性，增加了脫靶編輯的風(fēng)險。

PAM選擇性酶（PAM-selective enzymes）有望實現(xiàn)有效的on-target編輯，同時最大限度地減少脫靶，但很少被開發(fā)出來。一個龐大的能夠選擇性靶向不同PAMs的Cas酶的集合，是實現(xiàn)高效、安全及廣泛基因組編輯的最佳解決方案。

來源：Nature

4月22日，最新發(fā)表在Nature雜志上的一項研究中，來自Massachusetts General Hospital等機(jī)構(gòu)的科學(xué)家團(tuán)隊開發(fā)了一種名為PAMmla（PAM ML algorithm）的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，可以預(yù)測大約6400萬種基因組編輯酶的特性。這項工作有助于減少脫靶效應(yīng)，提高基因編輯安全性及效率，并使研究人員能夠預(yù)測針對新的治療靶點的定制酶。

如前文所說，使用CRISPR-Cas9技術(shù)的關(guān)鍵要素之一是Cas酶必須定位并結(jié)合一個稱為PAMs的短DNA序列。在這項研究中，科學(xué)家們將高通量蛋白質(zhì)工程與機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）相結(jié)合，以獲得對特定靶點更具選擇性的定制編輯器。

通過基于結(jié)構(gòu)/功能信息的飽和誘變和細(xì)菌選擇，研究人員獲得了近1000個工程SpCas9酶，并表征了它們對PAM的要求，以訓(xùn)練一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，將氨基酸序列與PAM特異性聯(lián)系起來。

從氨基酸序列預(yù)測SpCas9 PAM偏好的機(jī)器學(xué)習(xí)模型的開發(fā)（來源：Nature）

通過利用所開發(fā)的PAMmla算法預(yù)測6400萬個SpCas9酶的PAM，研究鑒定出了一組具有最佳靶向活性和特異性的新型工程Cas9酶。研究人員在人類細(xì)胞和色素性視網(wǎng)膜炎小鼠模型中進(jìn)行了概念驗證實驗，發(fā)現(xiàn)定制的酶具有更高的特異性。

利用PAMmla預(yù)測酶進(jìn)行人類細(xì)胞基因組編輯和脫靶分析（來源：Nature）

科學(xué)家們表示，這項工作最主要的成果是創(chuàng)建了PAMmla模型，大家可以利用該模型來預(yù)測用于其它特定應(yīng)用的定制酶。研究人員已經(jīng)制作了一個網(wǎng)絡(luò)工具（https://pammla.streamlit.app/），允許其他人使用PAMmla模型。

“我們的研究是大大擴(kuò)展有效、安全CRISPR-Cas9酶庫的第一步。在論文中，我們展示了這些PAMmla預(yù)測酶在人類原代細(xì)胞和小鼠中精確編輯致病序列的實用性?！鳖I(lǐng)導(dǎo)該研究的 Benjamin P. Kleinstiver博士說道。

參考資料：

[1]https://www.nature.com/articles/s41586-025-09021-y

[2]https://www.massgeneralbrigham.org/en/about/newsroom/press-releases/machine-learning-bespoke-enzymes-for-gene-editing