近日，西北農(nóng)林科技大學(xué)陳玉林教授團隊合作在《Nature Communications》期刊上發(fā)表題為“Engineering the MmeFz2-ωRNA system for efficient genome editing through an integrated computational-experimental framework”的研究成果。動科學(xué)院魏迎輝教授、王小龍教授和動物醫(yī)學(xué)院劉旭教授及上海科技大學(xué)吳兆韡副研究員為論文的共同通訊作者。動科學(xué)院徐坤副教授和在讀博士研究生李尚樸、伍振旻、高鵬飛和碩士研究生姜鶴楠為共同第一作者。

該研究首先在ωRNA骨架優(yōu)化方面，利用AlphaFold3對MmeFz2-ωRNA-DNA三元復(fù)合物結(jié)構(gòu)進行了精準預(yù)測，針對野生型ωRNA中存在的結(jié)構(gòu)冗余與不穩(wěn)定序列進行定向改造和重塑，開發(fā)出截短增強型en-ωRNA。優(yōu)化后的ωRNA骨架尺寸縮小30%，穩(wěn)定性與轉(zhuǎn)錄強度顯著提升，其介導(dǎo)的基因編輯（Indel）效率較野生型提高至16.7倍。

在MmeFz2蛋白優(yōu)化方面，研究采用了AlphaFold3輔助理性設(shè)計和EVOLVEpro驅(qū)動AI進化的互補性策略。首先，基于AlphaFold3的理性設(shè)計在蛋白-核酸界面設(shè)計了141個單點突變，通過細胞內(nèi)源位點打靶驗證實驗篩選出C69K等高效突變體，進一步通過兩輪組合優(yōu)化獲得理性設(shè)計最優(yōu)突變體en-Pro（C69K/E305N/E326Q）。該突變體與en-ωRNA組合形成enMmeFz2-ωRNA系統(tǒng)，其基因編輯效率較原始版本提升至76.0倍。同時，研究將141個單點突變體的實驗結(jié)果導(dǎo)入近期報道的EVOLVEpro蛋白語言模型，通過三輪“預(yù)測—驗證”迭代篩選，選取效率最高的5個預(yù)測突變進行組合，得到AI進化突變體evo-Pro（E178H/E305S/E418R）。其與en-ωRNA組合形成了evoMmeFz2-ωRNA系統(tǒng)，編輯效率較原始版本提高至66.1倍。此外，研究通過在evoMmeFz2-ωRNA系統(tǒng)基礎(chǔ)上融合非特異性DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域（HMG-D），使該系統(tǒng)平均編輯效率進一步提升1.2倍。

為驗證該系統(tǒng)的體內(nèi)基因編輯潛力，研究分別構(gòu)建了搭載evoMmeFz2-ωRNA和evoMmeFz2-HMG-D-ωRNA的單AAV病毒顆粒，并通過腿部肌肉注射遞送至人源化杜氏肌營養(yǎng)不良癥（DMD）模型小鼠體內(nèi)，成功誘導(dǎo)了DMD基因外顯子的跳躍編輯，達到了治療水平的肌萎縮蛋白表達。

該研究通過整合AlphaFold3輔助理性設(shè)計和EVOLVEpro驅(qū)動AI進化的互補策略，建立了一套基因編輯工具的優(yōu)化新方案，成功篩選出系列高效的MmeFz2核酸酶突變體，構(gòu)建了微型、高效的MmeFz2-ωRNA基因編輯新系統(tǒng)。