深度突变扫描技术：原理、优点、应用和展望

深度突变扫描技术：原理、优点、应用和展望
深度突变扫描技术（deep mutational scanning, DMS）是一种用于研究蛋白质序列和功能之间关系的技术。

它可以在一个实验中同时检测成千上万种突变对蛋白质功能的影响，从而提高效率和覆盖度。

它还可以揭示突变之间的上位效应（epistasis），即两个或多个突变的组合效应不同于各自效应的总和，从而反映出蛋白质结构和功能的复杂性。

它还可以为蛋白质工程和设计提供有价值的信息，帮助寻找改善蛋白质性能的优化突变或组合。

本文将介绍深度突变扫描技术的原理、优点、应用和展望。

原理
深度突变扫描技术的基本原理是：
•首先，利用合成生物学或定向进化的方法，构建一个包含大量突变的蛋白质文库。

这些突变可以是单点突变、组合突变或随机突变，覆盖蛋白质的特定区域或整个序列。

•然后，利用高通量筛选的方法，对文库中的每个突变体进行功能评价。

这些筛选方法可以是基于荧光、结合亲和力、催化活性、稳定性等不同的功能指标。

•最后，利用高通量测序的方法，对文库中的每个突变体进行序列鉴定。

这样，就可以得到每个突变体的序列和功能数据，并分析它们之间的相关性。

图1展示了一个深度突变扫描技术的示意图。

优点
深度突变扫描技术的优点是：
•它可以在一个实验中同时检测成千上万种突变对蛋白质功能的影响，从而提高效率和覆盖度。

这样，就可以得到一个全面和系统的蛋白质序列-功能图谱（sequence-function landscape），反映出每个氨基酸残基对蛋白质功能的重要性和敏感性。

•它可以揭示突变之间的上位效应（epistasis），即两个或多个突变的组合效应不同于各自效应的总和，从而反映出蛋白质结构和功能的复杂性。

这样，就可以了解不同氨基酸残基之间是如何相互作用和协调的，以及如何影响蛋白质的稳定性、折叠、构象、活性等。

•它可以为蛋白质工程和设计提供有价值的信息，帮助寻找改善蛋白质性能的优化突变或组合。

这样，就可以根据目标功能指标，选择最适合的突变体或设计新型或改良型的蛋白质。

应用
深度突变扫描技术的应用领域包括：
•研究蛋白质结构和功能之间的关系，例如确定蛋白质活性位点、稳定性决定因素、结构域之间的相互作用等。

例如，有研究利用深度突变
扫描技术，分析了人类DNA聚合酶η的催化域和指拇域之间的上位
效应，揭示了它们对蛋白质的结构、稳定性和功能的影响。

•研究蛋白质进化和适应性，例如分析自然选择对蛋白质序列和功能的影响、比较不同物种或家族中蛋白质的保守性和多样性等。

例如，有
研究利用深度突变扫描技术，研究了流感病毒血凝素的序列-功能图
谱，发现了一些重要的进化压力和限制因素。

•设计新型或改良型的蛋白质，例如提高荧光蛋白或酶的亮度、活性、稳定性等，或者赋予蛋白质新的功能或特性等。

例如，有研究利用深
度突变扫描技术，设计了一种具有高亮度和高稳定性的新型荧光蛋白。

展望
深度突变扫描技术还可以结合机器学习或人工智能的方法，从大规模数据中挖掘更深层次的规律和知识，并实现更高效和精准的蛋白质设计。

例如，有研究利用深度学习模型，根据深度突变扫描数据，预测不同突变对蛋白质功能的影响，并指导蛋白质工程。

深度突变扫描技术是一种前沿和有前景的技术，它为研究和设计蛋白质提供了一个强大的工具。

随着合成生物学、高通量筛选、高通量测序、机器学习等相关技术的发展和完善，深度突变扫描技术将会在未来发挥更大的作用和价值。