作为生命科学领域的一项革命性突破，基因组编辑技术已经能够像修剪树枝般精准修改短片段DNA，但大片段DNA编辑仍是难题。
8月4日晚，中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞团队在国际学术期刊《细胞》在线发表论文，系统报道了一种新型可编程的染色体水平大片段DNA精准操纵技术PCE，实现了真核生物基因组千碱基到兆碱基级别DNA的“精准编辑”。
审稿人对此评价：这项工作代表了基因工程领域的重大突破，在育种和基因治疗方面具有巨大的应用潜力。
PCE系统的开发和精准染色体编辑示意图。（中国科学院遗传与发育生物学研究所供图）
破解基因组编辑“尺度困境”
DNA作为生命密码，储存着决定生物性状、生命活动乃至进化方向的遗传信息。当前，被称为“基因剪刀”的CRISPR及其衍生技术，已经在特定碱基和短片段DNA中广泛应用。
然而，对数千乃至数百万碱基的精准操纵是大片段DNA编辑的核心难题，现有工具在编辑效率、尺度、精准性及类型多样性等方面仍存在明显不足。
研究团队开发了超大片段DNA精准无痕编辑新方法，构建PCE与RePCE两个可编程染色体编辑系统，实现超大片段DNA精准无痕操纵，成功破解了基因组编辑的“尺度困境”。
中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员高彩霞介绍，这项技术能够在植物和动物细胞中实现数百万碱基级别DNA的多类型精准操纵，显著提升真核生物基因组的操纵尺度和能力。
三项创新突破技术瓶颈
位点特异性重组酶Cre-Lox系统具有染色体水平DNA操纵潜力，但其进一步应用受到三大关键问题制约。为此，研究团队构建系统性技术路径，实现三项关键技术创新，为超大片段DNA精准无痕编辑装上“导航系统”。
——“双向门”改为“单通道”。为破解Lox位点固有对称性导致的重组反应可逆问题，研究团队创新性地开发了高通量重组位点快速改造平台，成功打造新型Lox变体，如同单向闸机门，只允许DNA片段按预定方向移动，更有利于目的编辑的发生。
——借助人工智能对Cre重组酶进行“团队优化”。简单来说，Cre重组酶是DNA片段的搬运工人，基于研究团队此前自主开发的人工智能新型蛋白质定向进化方法AiCE，研究人员对Cre蛋白多聚化界面进行精准优化，获得重组效率提升至3.5倍的工程化Cre蛋白变体，有效提高其活性，提升“工作效率”。
——打造“无痕编辑策略”Re-pegRNA。为避免重组后特异性位点残留干扰基因组编辑的精准性，研究团队开发的Re-pegRNA策略就像一块智能橡皮擦，能精准识别并消除这些残留位点，提高编辑精准性。
多场景应用将有望实现
业内人士认为，利用超大片段DNA精准无痕编辑新方法，通过操控基因组结构变异，可以为作物性状改良和遗传疾病治疗等开辟新路径。
在传统育种中，优良性状常与不良基因遗传连锁，如同“买一送一”的捆绑销售。大片段DNA精准无痕编辑的技术突破，有望推动新型育种策略的发展，如通过操纵遗传连锁、调控重组频率实现育性控制、消除连锁累赘，充分释放野生种质资源中优异等位基因的育种潜力。
目前，研究团队已经利用该技术成功创制了含315千碱基精准倒位的抗除草剂水稻种质。
在遗传疾病治疗领域，这项技术有望为因染色体异常导致的疾病提供新的治疗思路。此外，精准染色体编辑技术的突破将加速人工染色体构建，在合成生物学等新兴领域有重要的应用前景。
策划：陈芳
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