作為生命科學領域的一項革命性突破，基因組編輯技術已經能夠像修剪樹枝般精準修改短片段DNA，但大片段DNA編輯仍是難題。

8月4日晚，中國科學院遺傳與發育生物學研究所高彩霞團隊在國際學術期刊《細胞》在線發表論文，系統報道了一種新型可編程的染色體水平大片段DNA精準操縱技術PCE，實現了真核生物基因組千堿基到兆堿基級別DNA的“精準編輯”。

審稿人對此評價：這項工作代表了基因工程領域的重大突破，在育種和基因治療方面具有巨大的應用潛力。

(資料圖片僅供參考)

 

PCE系統的開發和精準染色體編輯示意圖。（中國科學院遺傳與發育生物學研究所供圖）

破解基因組編輯“尺度困境”

DNA作為生命密碼，儲存著決定生物性狀、生命活動乃至進化方向的遺傳信息。當前，被稱為“基因剪刀”的CRISPR及其衍生技術，已經在特定堿基和短片段DNA中廣泛應用。

然而，對數千乃至數百萬堿基的精準操縱是大片段DNA編輯的核心難題，現有工具在編輯效率、尺度、精準性及類型多樣性等方面仍存在明顯不足。

研究團隊開發了超大片段DNA精準無痕編輯新方法，構建PCE與RePCE兩個可編程染色體編輯系統，實現超大片段DNA精準無痕操縱，成功破解了基因組編輯的“尺度困境”。

中國科學院遺傳與發育生物學研究所研究員高彩霞介紹，這項技術能夠在植物和動物細胞中實現數百萬堿基級別DNA的多類型精準操縱，顯著提升真核生物基因組的操縱尺度和能力。

　　三項創新突破技術瓶頸

位點特異性重組酶Cre-Lox系統具有染色體水平DNA操縱潛力，但其進一步應用受到三大關鍵問題制約。為此，研究團隊構建系統性技術路徑，實現三項關鍵技術創新，為超大片段DNA精準無痕編輯裝上“導航系統”。

——“雙向門”改為“單通道”。為破解Lox位點固有對稱性導致的重組反應可逆問題，研究團隊創新性地開發了高通量重組位點快速改造平臺，成功打造新型Lox變體，如同單向閘機門，只允許DNA片段按預定方向移動，更有利于目的編輯的發生。

——借助人工智能對Cre重組酶進行“團隊優化”。簡單來說，Cre重組酶是DNA片段的搬運工人，基于研究團隊此前自主開發的人工智能新型蛋白質定向進化方法AiCE，研究人員對Cre蛋白多聚化界面進行精準優化，獲得重組效率提升至3.5倍的工程化Cre蛋白變體，有效提高其活性，提升“工作效率”。

——打造“無痕編輯策略”Re-pegRNA。為避免重組后特異性位點殘留干擾基因組編輯的精準性，研究團隊開發的Re-pegRNA策略就像一塊智能橡皮擦，能精準識別并消除這些殘留位點，提高編輯精準性。

　　多場景應用將有望實現

業內人士認為，利用超大片段DNA精準無痕編輯新方法，通過操控基因組結構變異，可以為作物性狀改良和遺傳疾病治療等開辟新路徑。

在傳統育種中，優良性狀常與不良基因遺傳連鎖，如同“買一送一”的捆綁銷售。大片段DNA精準無痕編輯的技術突破，有望推動新型育種策略的發展，如通過操縱遺傳連鎖、調控重組頻率實現育性控制、消除連鎖累贅，充分釋放野生種質資源中優異等位基因的育種潛力。

目前，研究團隊已經利用該技術成功創制了含315千堿基精準倒位的抗除草劑水稻種質。

在遺傳疾病治療領域，這項技術有望為因染色體異常導致的疾病提供新的治療思路。此外，精準染色體編輯技術的突破將加速人工染色體構建，在合成生物學等新興領域有重要的應用前景。