在生命科學(xué)領(lǐng)域，基因組編輯技術(shù)已成為推動(dòng)基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開發(fā)的革命性工具。以CRISPR系統(tǒng)為代表的方法，通過可編程RNA引導(dǎo)核酸酶靶向特定基因位點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了單堿基或短片段DNA的高效修改。然而，對(duì)于數(shù)千至數(shù)百萬堿基的大片段DNA操縱，現(xiàn)有工具在效率、精準(zhǔn)度和多樣性方面存在顯著局限。這種瓶頸限制了基因關(guān)鍵區(qū)域的替換、功能序列的完整插入、基因簇刪減或重定位等操作，阻礙了疾病治療、作物改良和合成生物學(xué)的發(fā)展。理想的大片段編輯工具應(yīng)支持染色體水平的多種編輯類型，包括插入、替換、刪除、倒位和易位，但現(xiàn)有技術(shù)難以滿足這些需求。

2025年8月4日，中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所高彩霞團(tuán)隊(duì)在《Cell》雜志上發(fā)表了題為“Iterative recombinase technologies for efficient and precise genome engineering across kilobase to megabase scales”的研究。該工作系統(tǒng)報(bào)道了一種名為可編程染色體工程（PCE）的新型編輯系統(tǒng)，首次在動(dòng)植物中實(shí)現(xiàn)了從千堿基（kb）到兆堿基（Mb）級(jí)別的精準(zhǔn)無痕編輯，大幅提升了基因組操縱能力。研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)位點(diǎn)特異性重組酶Cre-Lox系統(tǒng)的固有缺陷進(jìn)行了優(yōu)化：該系統(tǒng)雖具染色體操縱潛力，卻受限于可逆性重組反應(yīng)、多聚化酶活性不足及編輯后殘留位點(diǎn)等問題。

為突破這些限制，團(tuán)隊(duì)開發(fā)了三大核心技術(shù)。首先，通過高通量重組位點(diǎn)改造平臺(tái)，設(shè)計(jì)了不對(duì)稱Lox變體位點(diǎn)，成功將可逆性重組活性降至接近陰性水平，同時(shí)保留高效正向重組能力。其次，利用團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的AiCE蛋白工程平臺(tái)（該成果已于7月7日發(fā)表于Cell），優(yōu)化了Cre酶的多聚化界面，創(chuàng)制出重組效率提升3.5倍的工程化變體。最后，創(chuàng)新性地結(jié)合引導(dǎo)編輯技術(shù)，開發(fā)了Re-pegRNA無痕編輯策略，能精準(zhǔn)去除重組后殘留的Lox位點(diǎn)，恢復(fù)原始基因組序列。這三項(xiàng)技術(shù)的集成優(yōu)化，構(gòu)成了PCE和RePCE兩套可編程系統(tǒng)，支持對(duì)不同Lox位點(diǎn)位置和方向進(jìn)行靈活設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)大尺度DNA的無痕操縱。

基于PCE的染色體編輯系統(tǒng)開發(fā)全解析

在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中，PCE系統(tǒng)在動(dòng)植物細(xì)胞中展示了卓越性能。例如，它實(shí)現(xiàn)了18.8kb DNA片段的定點(diǎn)整合、5kb序列的定向替換、12Mb染色體的倒位、4Mb區(qū)域的刪除以及整條染色體的易位。這些操作跨越了kb至Mb尺度，突破了真核生物基因組編輯的尺度限制。尤其值得注意的是，團(tuán)隊(duì)利用該技術(shù)創(chuàng)制了含315kb精準(zhǔn)倒位的抗除草劑水稻種質(zhì)，證明了其在作物改良中的實(shí)用價(jià)值。審稿人評(píng)價(jià)該工作“代表了基因工程領(lǐng)域的重大突破”，為育種和基因治療開辟了新路徑。

PCE系統(tǒng)的應(yīng)用前景廣闊。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，它能通過操縱遺傳連鎖和調(diào)控重組頻率，實(shí)現(xiàn)育性控制或消除連鎖累贅，釋放野生種質(zhì)資源的育種潛力。在醫(yī)學(xué)上，該技術(shù)為遺傳疾病治療提供了新工具，例如修復(fù)大型基因缺陷或構(gòu)建人工結(jié)構(gòu)變異。此外，它還將加速合成生物學(xué)的發(fā)展，推動(dòng)人工染色體構(gòu)建。未來，PCE有望革新傳統(tǒng)育種策略，并為新興領(lǐng)域如基因組結(jié)構(gòu)變異研究提供支撐。

參考文獻(xiàn)

https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.07.011