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深度学习模型预测多种碱基编辑器的编辑效率和结果。

Deep learning models to predict the editing efficiencies and outcomes of diverse base editors.

机构信息

Department of Pharmacology, Yonsei University College of Medicine, Seoul, Republic of Korea.

Graduate School of Medical Science, Brain Korea 21 Project, Yonsei University College of Medicine, Seoul, Republic of Korea.

出版信息

Nat Biotechnol. 2024 Mar;42(3):484-497. doi: 10.1038/s41587-023-01792-x. Epub 2023 May 15.

DOI:10.1038/s41587-023-01792-x
PMID:37188916
Abstract

Applications of base editing are frequently restricted by the requirement for a protospacer adjacent motif (PAM), and selecting the optimal base editor (BE) and single-guide RNA pair (sgRNA) for a given target can be difficult. To select for BEs and sgRNAs without extensive experimental work, we systematically compared the editing windows, outcomes and preferred motifs for seven BEs, including two cytosine BEs, two adenine BEs and three C•G to G•C BEs at thousands of target sequences. We also evaluated nine Cas9 variants that recognize different PAM sequences and developed a deep learning model, DeepCas9variants, for predicting which variants function most efficiently at sites with a given target sequence. We then develop a computational model, DeepBE, that predicts editing efficiencies and outcomes of 63 BEs that were generated by incorporating nine Cas9 variants as nickase domains into the seven BE variants. The predicted median efficiencies of BEs with DeepBE-based design were 2.9- to 20-fold higher than those of rationally designed SpCas9-containing BEs.

摘要

碱基编辑的应用经常受到需要前间隔基序 (PAM) 的限制,并且为给定的靶标选择最佳的碱基编辑器 (BE) 和单指导 RNA 对 (sgRNA) 可能很困难。为了在不进行广泛实验工作的情况下选择 BE 和 sgRNA,我们在数千个靶序列中系统地比较了包括两种胞嘧啶 BE、两种腺嘌呤 BE 和三种 C•G 到 G•C BE 的七种 BE 的编辑窗口、结果和首选基序。我们还评估了识别不同 PAM 序列的九种 Cas9 变体,并开发了一种深度学习模型 DeepCas9variants,用于预测在给定靶序列的位点上哪种变体的功能效率最高。然后,我们开发了一种计算模型 DeepBE,用于预测通过将九种 Cas9 变体作为缺口酶结构域整合到七种 BE 变体中生成的 63 种 BE 的编辑效率和结果。基于 DeepBE 设计的 BE 的预测中位数效率比基于合理设计的包含 SpCas9 的 BE 高 2.9 到 20 倍。

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