Nature | 伊成器/李大力利用基于AlphaFold3的接触概率模型进行精准DNA碱基编辑

在生物化学转化和基因组编辑中，实现高度特异性对于基础研究与临床治疗至关重要。提高基因编辑工具的特异性能够确保靶向编辑的有效性与安全性。

然而，现有的编辑工具优化策略普遍受到活性与特异性权衡取舍的制约。传统的理性设计高度依赖经验且成功率较低，而定向进化则需要复杂的电路设计并易陷入局部最优。

近年来基于深度学习的蛋白质语言模型和逆折叠算法在优化蛋白质适应度方面展现出潜力。然而这些模型无法捕获脱靶复合物中仅由DNA序列差异引起的构象变化，难以提供提高特异性的明确指导。

2026年7月22日，北京大学伊成器与华东师范大学李大力团队合作，在Nature上发表了题为“Precise DNA base editing using AlphaFold3-based contact modelling” 的研究论文。该研究开发了基于AlphaFold3接触概率的AI计算框架ContactSeek，能够灵敏捕获靶向与脱靶复合物间的微小相互作用差异，并精准识别决定特异性的关键氨基酸残基。

文章索引

【标题】Precise DNA base editing using AlphaFold3-based contact modelling

【发表期刊】Nature

【发表日期】2026年7月22日

【作者及团队】北京大学伊成器团队与华东师范大学李大力团队

【IF】48.5

研究结果

一、开发dI-profiling方法全面评估脱靶效应

为了获得高质量的脱靶数据作为输入，研究团队开发了追踪脱氧肌苷（dI）中间体的dI-profiling测序方法，在单碱基分辨率下捕获腺嘌呤碱基编辑器（ABE）的脱靶信号。

实验在HEK293T细胞和造血干祖细胞中对多种gRNA和ABE变体进行了全基因组脱靶鉴定，并通过靶向扩增子测序验证了其极高的特异性和灵敏度。

二、AF3精准预测并揭示复合物的靶向差异

研究团队将dI-profiling识别的脱靶DNA序列输入AlphaFold3（AF3），预测Cas9-DNA-sgRNA三元复合物的三维结构与接触概率矩阵。

结果表明AF3预测的结构具有高度重现性，且能成功重现实验测定的R-环结构及其在脱靶位点发生的扰动，这些构象变化与测序获得的脱靶编辑信号高度吻合。

三、接触概率对相互作用变化具有更高敏感性

通过深入对比，研究发现CP在捕捉由向导RNA与脱靶DNA错配引起的三元复合物微观构象改变方面，比预测的3D结构更为敏感。

这种高敏感性得益于AF3内部的配对表征嵌入机制，为后续准确识别特异性决定区域奠定了基础。

四、构建ContactSeek框架大幅提升ABE特异性

研究利用CP变化量和测序获得的脱靶编辑信号构建了ContactSeek框架，成功识别出Cas9蛋白中控制特异性的共识接触区域及关键氨基酸残基。

结合对TadA8e脱氨酶的模块化预测分析，研究开发出的ABE8e-DD变体在保持在靶活性的同时大幅降低了依赖向导RNA及非依赖向导RNA的DNA和RNA脱靶编辑。

五、ContactSeek成功推广至Cas12a展现高通用性

研究人员将该框架独立应用于基于Cas12a的胞嘧啶碱基编辑器，通过分析Cas12a和APOBEC3A的接触概率找到了全新的特异性关键调控位点。

最终筛选出的Cas12a(R284E)-A3A(H29D)变体在维持高效编辑的同时，在降低多维度脱靶效应方面显著优于现有的高保真工具。

总结

ContactSeek通过创新性地利用AlphaFold3的接触概率特征，成功破解了仅由DNA序列差异引发的蛋白-核酸复合物微观相互作用变化建模难题。该框架不仅实现了对Cas9和Cas12a碱基编辑器的跨体系精准工程化改造，还达到了极高的候选突变成功率。这一成果为开发下一代高特异性基因组编辑工具提供了全新的数据与AI驱动的范式。