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科学重磅借力人工智能科学家开发出了更强壮的基因带着东西

2019-12-02 13:15:09 作者:责任编辑NO。许安怡0216

药明康德AI/报导

在了解这篇由闻名分子生物学家George M. Church教授发表于《科学》的重磅论文前,咱们先了解一下什么是腺相关病毒(AAV)。AAV是一种单链DNA病毒,由科学家1965年在制备腺病毒时发现,因而得名腺相关病毒。腺病毒会感染多种脊椎动物,这其间也包括人类,会诱发人类的上呼吸道感染,而AAV十分特别,现在的科学界一致是它不会导致任何人类疾,也是现在人类发现的一类结构最简略的单链DNA缺陷型病毒,正是由于其DNA结构上的缺陷,在没有辅佐病毒的参加下(典型的如腺病毒、单纯疱疹病毒等),AAV无法引发病毒感染。这样的特性让AAV成为了科学家眼中最为抱负的基因载体。

未经改造的天然存在野生型AAV由蛋白衣壳(capside)和长度为4.7kb的单链DNA基因组构成。蛋白衣壳由三个亚基组成,分别为VP1,VP2和VP3。AAV基因组两头为两个“T”型的结尾反向重复序列(inverted terminal repeat, ITR)。这两个ITRs是病毒DNA仿制的起点和触发病毒包装的信号。AAV基因组中的rep基因编码4个与病毒仿制相关的蛋白,分别为Rep78、Rep68、Rep52和Rep40。

科学家经过改造AAV,获得了用于基因疗法的优秀载体——重组腺相关病毒(rAAV)。rAAV带着的蛋白衣壳与野生型AAV简直彻底相同,但是衣壳内的基因组中编码病毒蛋白的部分彻底被删去,取而代之的是医治性转基因(transgene)。现在,AAV基因组中被保存的部分主要是编码衣壳蛋白的cap基因,以及ITRs,它起到辅导基因组的仿制和病毒载体拼装的作用。将编码病毒蛋白的部分彻底删去的长处是:一方面可以最大化重组AAV带着转基因的容量,另一方面减小体内投递转基因时发生的免疫原性和细胞毒性。但现在的rAAV仍然不能满意基因疗法的需求,咱们急迫的需求一款功用更为强壮的AAV,而这次哈佛大学(Harvard University)闻名分子生物学家George M. Church教授领导研讨团队联合Dyno Therapeutics公司(Dyno Therapeutics是一家将人工智能应用于基因医治的生物技能公司)的科学家,经过结合计算机技能,成功得到了一批功用优异的AAV。

图片来自:Pixabay

从前的研讨战略会集在对cap基因的优化,使其添加投递功率的一同也就有侵染活性,研讨战略限于随机骤变,作用不抱负。因而,研讨小组对腺相关病毒2型(AAV2)衣壳中的735个氨基酸位点进行单骤变,然后生成了一个包括约200,000个变体的单骤变库。为了研讨其功用,研讨人员将这些骤变体转染到小鼠中,看它们在小鼠不同器官的富集程度。比方,有些骤变体特意地在肝脏富集,有些则在血液。这个现象也叫“归巢”现象。一同,他们经过奇妙的试验规划,判定了对应的衣壳改动,与骤变位点的对应联络,树立起了一个计算机模型。

但实践规划中,单骤变或许满意不了基因疗法的需求,要选用多骤变位点规划,一同还要AAV2的生机。为此,他们用计算机模型猜测了多位点骤变的一些组合,并与随机骤变组合的进行了比较,终究发现计算机规划的骤变体,许多既有高的AVV2生机,又坚持了其“归巢”的潜能。令人惊喜的是,研讨团队还发现了隐藏在衣壳编码DNA序列中的新辅佐蛋白,该蛋白可与靶细胞膜结合。

这篇论文构建迄今为止最全面的AAV蛋白衣壳库。Crunch教授表明:“运用这个文库发生的数据,咱们还可以规划出更多衣壳骤变体,比从前天然或人工变异发生的还要多。不仅如此,AI规划发生有用衣壳的功率远远超越随机诱变办法发生的AAV。”

“这些高通量的技能与计算机技能相结合,为未来的基因医治奠定了坚实的根底。”Dyno Therapeutics公司现任首席执行官,论文一同榜首作者Eric Kelsic博士对此表明,曩昔的办法,如人为规划或随机骤变,都存在各自的缺陷,不是受骤变库规划约束,便是质量低下。机器辅佐规划则是一种数据驱动的蛋白质工程办法,别的有满足数据的简略数学模型就可以成功生成可行的组成衣壳。由此凭借计算机的力气,便可充沛结合运用上述蛋白质工程的迭代和经历办法,然后生成很多高质量的衣壳变体。

图片来自:Pixabay

别的,文章作者还发现,cap基因还能编码一个新的蛋白MAAP(membrane-associated accessory protein)。文章作者估测,MAAP蛋白或许与之前在工程型AVV2库中发现的高基因组-衣壳耦合现象有关。MAAP存在于大部分AAV血清型中,研讨人员信任它将在病毒的天然生命周期中发挥作用。研讨人员表明:“研讨MAAP的功用是一个令人兴奋的范畴,并有助于人们更好地了解AAV、并规划更好地AAV基因疗法。该发现令人鼓舞,但却仅仅迈出了榜首步。运用这些数据和来自未来试验的数据,咱们咱们可以构建机器学习模型来优化AAV载体衣壳,并处理各种基因医治的应战。”这项研讨可以说是一个里程碑式的发展,更是一个杰出的初步。

因而从2015年开端,研讨团队便着力于经过开发新的机器引导技能来战胜现有技能局限性,然后在今日宣告研制出了一种更快速有用的东西型AAV。本项研讨具有里程碑式的含义,运用新的高通量丈量技能搜集很多数据,教他们怎么构建更好的多位点骤变体库,终究优化了AAV的传递功用。

研讨人员表明:“这仅仅机器引导的AAV衣壳工程改动基因疗法的开端,这项研讨的成功使咱们正真看到了寻求更多数据和更大容量的机器学习模型应用于基因疗法的无限潜力。”

图片来自:Pixabay

研讨人员的思路是,鉴于观察到AAV2单骤变库不同骤变体在不同器官中富集程度不同,与之相应的AAV2有相应的骤变位点和衣壳结构,研讨人员树立计算机模型,将两者进行联络。为了简化模型,他们选择了富集在肝脏的那些AAV2骤变体,对其一一测序。

为了研讨这些骤变体在体内的作用,研讨人员便把AAV2逐一感染到小鼠中,这些感染到小鼠体内的骤变体有不同生物散布特征,比方散布在肾、心脏、肝、肺等。随后,研讨人员做了主成分剖析,将不同AAV2骤变体衣壳结构特征与其在生物内的散布特征联络起来;聚类剖析的成果显现,有一些骤变体特异地被肝铲除,而在血液、心脏和肾脏中富集,有些则相反。

图片来自:参考资料[3]

考虑到之前许多随机骤变发生的AAV2无法进行有用基因传递,研讨人员也就生出了“能否创造出一种计算机办法来更有用改进AAV2”的主意,为验证该想象他们便测验用计算机进行骤变位点规划。

鉴于AAV2单骤变库不同骤变体在不同器官中富集程度不同,与之相应的AAV2有相应的骤变位点和衣壳结构,研讨人员树立计算机模型,将两者进行联络。为了简化模型,他们选择了富集在肝脏的那些AAV2骤变体,对其一一测序,经过测序发现富集在肝脏区域的AAV2骤变体,其骤变位点仅限于cap基因所编码氨基酸的第561-588位点间,由此他们将此区域定为多位点骤变选择的靶区域。

逐一扫描cap基因候选靶区域的氨基酸位点,计算机模型便会给氨基酸位点依照模型计算出来的或许性进行打分,分数越高,或许性越大。接着研讨人员将分值高的位点一同骤变,树立起一个多位点骤变体库。

图片来自:Pixabay

与此一同,他们又依据氨基酸位点的作用和随机性的准则,人为选择了一些氨基酸位点进行骤变,作为对照。经过此办法,他们共规划了1271个AVV2骤变体,以及10047个随机骤变体,随后他们把这些骤变体转染到小鼠中,检测它们的散布状况。终究的成果显现计算机规划的骤变体大约有25.6%都是有功用的(即在肝脏中有散布),而近乎一半(4477个)随机发生的骤变体都是无效的(在肝脏中无散布或弱散布)。

这一成果显现,计算机规划具有适当高的功率。

参考资料:

[1]Improved AAV Vector Capsid for Gene Therapy Engineered with a NewMachine-Guided Approach Retrieved Nov 29, 2019

from https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-11/tyn-rea112119.php

[2]Harvard Wyss Institute researchers demonstrate machine-guided engineering ofAAV capsids Retrieved Nov 29, 2019 from https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-11/wifb-hwi112219.php

[3]Comprehensive AAV capsid fitness landscape reveals a viral gene and enablesmachine-guided design Retrieved Nov 29, 2019 from https://science.sciencemag.org/content/366/6469/1139

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