中新網(wǎng)北京8月4日電 (記者 孫自法)在生命科學(xué)領(lǐng)域，基因組編輯技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，為基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開發(fā)提供強(qiáng)大的技術(shù)支撐。不過，大片段DNA(脫氧核糖核酸)編輯一直面臨重大挑戰(zhàn)，對數(shù)千乃至數(shù)百萬堿基的精準(zhǔn)操縱更是基因編輯領(lǐng)域的核心難題，備受關(guān)注。

　　育種和基因治療有巨大應(yīng)用潛力

　　來自中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所(遺傳發(fā)育所)的消息說，該所高彩霞研究員團(tuán)隊(duì)最新研發(fā)出一種新型可編程的染色體編輯技術(shù)(Programmable Chromosome Engineering，PCE)。該技術(shù)在動植物中實(shí)現(xiàn)了從千堿基到兆堿基級別DNA的多類型染色體精準(zhǔn)操縱，顯著提升了真核生物基因組的操縱尺度和能力。

　　利用大片段DNA精準(zhǔn)操縱技術(shù)，研究人員不僅能實(shí)現(xiàn)多基因疊加編輯，還可通過操控基因組結(jié)構(gòu)變異，為作物性狀改良和遺傳疾病治療開辟新路徑。同時，該技術(shù)有望推動新型育種策略的發(fā)展，例如通過操縱遺傳連鎖、調(diào)控重組頻率實(shí)現(xiàn)育性控制，以及消除連鎖累贅，充分釋放野生種質(zhì)資源中優(yōu)異等位基因的育種潛力。此外，精準(zhǔn)染色體編輯技術(shù)的突破將加速人工染色體構(gòu)建，在合成生物學(xué)等新興領(lǐng)域也有重要的應(yīng)用前景。

　　這項(xiàng)攻克大片段DNA精準(zhǔn)編輯的重要成果論文，北京時間8月4日深夜在國際知名學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》(Cell)上線發(fā)表。審稿人評價認(rèn)為，中國團(tuán)隊(duì)發(fā)表的研究工作，代表了基因工程領(lǐng)域的重大突破，在育種和基因治療方面具有巨大的應(yīng)用潛力。

　　系統(tǒng)應(yīng)用受到3個關(guān)鍵問題制約

　　論文通訊作者高彩霞研究員介紹說，以基因編輯工具CRISPR及其衍生技術(shù)為代表的編輯系統(tǒng)，通過可編程的向?qū)�RNA(核糖核酸)引導(dǎo)Cas9等核酸酶靶向基因組特定位點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于特定堿基和短片段DNA的精準(zhǔn)編輯。但針對大片段DNA編輯，現(xiàn)有工具在編輯效率、尺度、精準(zhǔn)性及類型多樣性等方面仍存在明顯不足。

　　研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，位點(diǎn)特異性重組酶(Cre-Lox)系統(tǒng)具有染色體水平DNA操縱潛力，其原理是在基因組中引入Lox序列后，由Cre重組酶介導(dǎo)Lox位點(diǎn)之間的DNA重組來實(shí)現(xiàn)全基因組范圍內(nèi)的遺傳操縱。

　　然而，Cre-Lox系統(tǒng)的應(yīng)用受到3個關(guān)鍵問題的制約：Lox位點(diǎn)固有的對稱性導(dǎo)致重組反應(yīng)可逆，不利于目的編輯的發(fā)生；Cre酶作為四聚體工作，提升其活性的工程改造難度高；重組后特異性位點(diǎn)殘留，影響編輯的精準(zhǔn)性。

　　構(gòu)建兩個可編程染色體編輯系統(tǒng)

　　高彩霞指出，為逐一突破上述限制，在本項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建出系統(tǒng)性技術(shù)路徑：首先，開發(fā)高通量重組位點(diǎn)快速改造平臺，并提出不對稱Lox位點(diǎn)設(shè)計(jì)原則，成功創(chuàng)制新型Lox變體，保持高效重組效率的同時將可逆重組活性降低至陰性對照水平。

　　其次，基于研究團(tuán)隊(duì)此前自主開發(fā)的融合蛋白通用逆折疊模型、結(jié)構(gòu)與進(jìn)化約束信息的蛋白定向進(jìn)化平臺AiCE，實(shí)現(xiàn)對Cre蛋白多聚化界面的精準(zhǔn)優(yōu)化，獲得重組效率提升至3.5倍的工程化Cre蛋白變體。

　　最后，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建并優(yōu)化了重組酶的無痕編輯策略Re-pegRNA，利用引導(dǎo)編輯器的高效編輯特性，通過設(shè)計(jì)特異性pegRNA對重組后殘留的Lox位點(diǎn)進(jìn)行“重引導(dǎo)編輯”，將其精準(zhǔn)替換為原有基因組序列。

　　通過這三項(xiàng)技術(shù)的集成優(yōu)化，研究團(tuán)隊(duì)成功構(gòu)建PCE與RePCE兩個可編程染色體編輯系統(tǒng)，可對不同Lox位點(diǎn)的插入位置和方向進(jìn)行靈活編程，實(shí)現(xiàn)堿基從千比特(kb)到兆比特(Mb)尺度的大片段DNA精準(zhǔn)無痕操縱。

　　研究團(tuán)隊(duì)表示，他們在動植物細(xì)胞中，利用新研發(fā)的系統(tǒng)已成功實(shí)現(xiàn)18.8kb超大片段DNA的定點(diǎn)整合、5kb序列的定向替換、12Mb的染色體倒位、4Mb的染色體刪除及整條染色體的易位。他們還利用新型大片段DNA精準(zhǔn)操縱技術(shù)，成功創(chuàng)制含315kb精準(zhǔn)倒位的抗除草劑水稻種質(zhì)，展示出其廣泛應(yīng)用前景。

　　據(jù)了解，AiCE成果7月上旬已在線發(fā)表于《細(xì)胞》，并將與此次研究成果以背靠背形式于8月下旬在《細(xì)胞》紙質(zhì)版正式刊出。