Computational design of sequence-specific DNA-binding proteins

计算生物学 DNA 生物 合成生物学 基因 碱基对 序列(生物学) 基因组 序列空间 DNA测序 功能(生物学) 遗传学 数学 纯数学 巴拿赫空间
作者
Cameron J. Glasscock,Robert Pecoraro,Ryan McHugh,Lindsey Doyle,Wei Chen,Olivier Boivin,Beau Lonnquist,Emily Na,Yuliya Politanska,Hugh K. Haddox,David Cox,Christoffer Norn,Brian Coventry,Inna Goreshnik,Dionne Vafeados,Gyu Rie Lee,Raluca Gordân,Barry Stoddard,Frank DiMaio,David Baker
标识
DOI:10.1101/2023.09.20.558720
摘要

Sequence-specific DNA-binding proteins (DBPs) play critical roles in biology and biotechnology, and there has been considerable interest in the engineering of DBPs with new or altered specificities for genome editing and other applications. While there has been some success in reprogramming naturally occurring DBPs using selection methods, the computational design of new DBPs that recognize arbitrary target sites remains an outstanding challenge. We describe a computational method for the design of small DBPs that recognize specific target sequences through interactions with bases in the major groove, and employ this method in conjunction with experimental screening to generate binders for 5 distinct DNA targets. These binders exhibit specificity closely matching the computational models for the target DNA sequences at as many as 6 base positions and affinities as low as 30-100 nM. The crystal structure of a designed DBP-target site complex is in close agreement with the design model, highlighting the accuracy of the design method. The designed DBPs function in both Escherichia coli and mammalian cells to repress and activate transcription of neighboring genes. Our method is a substantial step towards a general route to small and hence readily deliverable sequence-specific DBPs for gene regulation and editing.
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