候选脱氨酶的鉴定与结构聚类
基于序列同源性和三维结构相似性,从数据库中发现并分类胞苷脱氨酶。
使用APOBEC样脱氨酶结构域(PF08210和PF05240)对UniProt数据库进行同源搜索,筛选出1,483条序列。利用AlphaFold2预测其三维结构,并通过TM-score进行两两比对,采用分区聚类方法将其分为184个簇。从每个簇中随机选取10%(至少一个)代表序列,共272个候选脱氨酶。
Structure-guided discovery of highly efficient cytidine deaminases with sequence-context independence
研究包含结构预测与聚类分析、高通量编辑活性筛选、R-loop脱靶检测、内源位点编辑、多种Cas蛋白兼容性及多基因敲除验证等多个独立证据层级,并进行了功能与机制验证。
HEK293T细胞(sgRNA靶标文库稳转系) 小鼠N2A细胞 小鼠胚胎干细胞(mESCs) 猪肾PK-15细胞 人肝癌HepG2细胞
胞苷脱氨酶序列选自UniProt数据库,e-value <0.01,且以APOBEC样N端(PF08210)或C端(PF05240)结构域为查询 结合于sgRNA靶标文库的HEK293T细胞,经慢病毒转导,MOI=0.3,并用FACS或嘌呤霉素筛选稳定表达 使用102 sgRNA靶标文库进行初始筛选,转染6μg CBE质粒于1×10^6细胞(6孔板),120小时后收集 使用11,868 sgRNA靶标文库进行深入表征,转染40μg CBE质粒于6×10^6细胞(10-cm皿),72小时后FACS分选 R-loop脱靶检测使用HEK293T细胞,共转染0.75μg dSaCas9-sgRNA和0.75μg CBE质粒(24孔板),5天后收集 CD0208P52A在N2A细胞中表现出较高的编辑效率(41.2%)和终止密码子引入效率(25.0%),优于rAPOBEC1、YE1、eA3A等 CD0208P52A在mESC和PK-15细胞中能高效编辑多拷贝基因(Rbmy1a1, Ssty1, Ssty2, PERV pol),平均效率显著高于对照 CD0208P52A与nSaCas9、nSpCas9-NG及dCpf1融合均显示高效编辑,且dCpf1融合显著降低非C-to-T替换和indel
提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。
按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。
基于序列同源性和三维结构相似性,从数据库中发现并分类胞苷脱氨酶。
使用APOBEC样脱氨酶结构域(PF08210和PF05240)对UniProt数据库进行同源搜索,筛选出1,483条序列。利用AlphaFold2预测其三维结构,并通过TM-score进行两两比对,采用分区聚类方法将其分为184个簇。从每个簇中随机选取10%(至少一个)代表序列,共272个候选脱氨酶。
评估候选脱氨酶在CBE中的C-to-T编辑效率和脱靶效应。
将272个候选脱氨酶构建到CBE表达载体中,转染到稳定表达sgRNA靶标文库(102个或11,868个位点)的HEK293T细胞中,通过高通量测序分析编辑效率。同时使用正交R-loop实验检测非sgRNA依赖性脱靶效应。
在基因组内源靶位点验证高效应CD0208的编辑效率和序列背景偏好性。
在HEK293T细胞中,将CD0208 CBE与靶向34个内源位点的sgRNA共转染,通过高通量测序分析C-to-T编辑效率及不同序列背景(AC/TC/GC/CC)下的编辑活性。
通过丙氨酸扫描突变预测的DNA相互作用残基,筛选出降低脱靶效应且保持高编辑活性的变体。
使用DRNApred预测CD0208中27个参与ssDNA结合的氨基酸残基,并分别突变为丙氨酸。在稳定表达11,868 sgRNA文库的HEK293T细胞中检测突变体的编辑效率和R-loop脱靶效应。
验证CD0208P52A CBE能否在单拷贝和多拷贝基因中高效引入无义突变。
在小鼠N2A细胞中,针对Tyr基因设计11个sgRNA,评估CD0208P52A CBE引入终止密码子或剪接位点突变的效率。在mESC中针对Y染色体多拷贝基因(Rbmy1a1, Ssty1, Ssty2)设计sgRNA,评估编辑效率。在PK-15细胞中针对PERV pol基因设计sgRNA,评估引入无义突变的效率。
测试CD0208P52A是否能与不同Cas蛋白融合并保持编辑活性。
构建了CD0208P52A与nSaCas9(D10A)、nSpCas9-NG和dCpf1的融合CBE。在HEK293T细胞中,将CBE与相应的sgRNA共转染,评估C-to-T编辑效率、编辑窗口、碱基替换模式和indel频率。
评估CD0208P52A CBE在致病基因(如Pcsk9)中的编辑效率及功能影响。
在小鼠N2A细胞中,针对Hpd和Pcsk9基因设计sgRNA,评估CD0208P52A-nSpCas9的编辑效率。在人HepG2细胞中,针对PCSK9基因设计sgRNA,评估编辑效率及对DiI-LDL摄取的影响。
按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。
| 实验环节 | 名称 | 品牌 | 货号 |
|---|---|---|---|
| 细胞培养 | 杜氏改良Eagle培养基 | Yeasen | 41401ES76 |
| 胎牛血清 | Biological Industries | 04-001-1ACS | |
| 青霉素-链霉素 | Beyotime | C0224-100ml | |
| 杜氏改良Eagle培养基 | Millipore | SLM-220-B | |
| 胎牛血清 | Gibco | 10099141 | |
| 最低必需培养基非必需氨基酸溶液 | Millipore | TMS-001-C | |
| GlutaMAX补充剂 | Thermo Fisher | 35050061 | |
| 核苷 | Millipore | ES-008-D | |
| β-巯基乙醇 | Millipore | ES-007-E | |
| PD0325901 | Selleck | S1036 | |
| CHIR99021 | Selleck | S1263 | |
| 小鼠白血病抑制因子 | Millipore | ESG1107 | |
| 慢病毒包装和转导 | 聚乙烯亚胺 | Polysciences | 24765-1 |
| 细胞培养 | 嘌呤霉素 | Invivogen | ant-pr-1 |
| 细胞转染 | Lipofectamine 3000转染试剂 | Invitrogen | L3000015 |
| Lonza Nucleofector 2b设备 | Lonza | -- | |
| 基因组DNA提取 | 基因组DNA提取试剂盒 | Tiangen | DP304-03 |
| PCR扩增 | Takara Ex Taq聚合酶 | Takara | RR902A |
| PCR产物纯化 | 通用DNA纯化试剂盒 | Tiangen | DP219 |
| RNA提取与qPCR | RNA-easy分离试剂 | Vazyme | R701-02 |
| HiScript ll Q RT SuperMix qPCR试剂盒 | Vazyme | R223-01 | |
| AceQ通用SYBR qPCR预混液 | Vazyme | Q511-02 | |
| CFXOplus96系统 | Bio-Rad | -- | |
| DiI-LDL摄取实验 | DiI-LDL荧光探针 | Yiyuan Biotechnologies | YB-0011 |
汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。
| 环节 | 核对要点 |
|---|---|
| 候选脱氨酶筛选 | 同源序列筛选使用Pfam数据库的PF08210和PF05240结构域,e值<0.01,且序列以甲硫氨酸起始并以终止密码子结尾 阅读提示:Methods: Identification and 3D structure-based clustering of candidate cytidine deaminases |
| 结构聚类 | 使用AlphaFold2预测结构,TM-score>0.7作为分区聚类的阈值,并按长度降序排列选择初始聚类中心 阅读提示:Methods: Identification and 3D structure-based clustering of candidate cytidine deaminases; Supplementary Methods |
| 编辑活性筛选 | 使用102 sgRNA靶标文库的HEK293T稳转细胞系,转染6μg CBE质粒于1×10^6细胞(6孔板),120小时后收集;使用11,868 sgRNA文库的细胞系,转染40μg CBE质粒于6×10^6细胞(10-cm皿),72小时后FACS分选 阅读提示:Methods: Cell transfection; Figure 2 legend |
| 脱靶效应检测 | 使用正交R-loop实验,在HEK293T细胞中共转染0.75μg dSaCas9-sgRNA和0.75μg CBE质粒(24孔板),5天后收集;检测位点为Sa site3, Sa site4, Sa site5, Sa site6 阅读提示:Methods: Orthogonal R-loop assays; Extended Data Fig. 3 |
| 单拷贝基因编辑(N2A细胞) | N2A细胞数量为2×10^5(24孔板),转染0.75μg sgRNA和0.75μg CBE质粒,72小时后FACS收集 阅读提示:Methods: Cell transfection; Figure 4 legend |
| 多拷贝基因编辑(mESCs和PK-15细胞) | mESCs转染0.25μg sgRNA和0.25μg CBE质粒,使用Lipofectamine 3000;PK-15细胞转染3μg sgRNA和3μg CBE质粒,使用Lonza Nucleofector 2b(T-020程序);均72小时后FACS收集 阅读提示:Methods: Cell transfection; Figure 4 legend |
| 多Cas蛋白兼容性 | 分别将CD0208P52A与nSaCas9(D10A)、nSpCas9-NG和dCpf1融合,在HEK293T细胞中检测编辑效率;针对nSaCas9测试7个靶点,nSpCas9-NG测试8个靶点,dCpf1测试13个靶点 阅读提示:Methods: Plasmid construction; Figure 5 legend |
| 致病基因编辑 | N2A细胞中针对Hpd和Pcsk9基因设计sgRNA;HepG2细胞中针对PCSK9设计sgRNA,并使用20 μg/ml DiI-LDL孵育4小时 阅读提示:Methods: Cell transfection; Figure 6 legend |