在生命科學領(lǐng)域，基因組編輯技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應用，為基礎研究和應用開發(fā)提供強大的技術(shù)支撐。不過，大片段DNA編輯一直面臨重大挑戰(zhàn)，對數(shù)千乃至數(shù)百萬堿基的精準操縱更是基因編輯領(lǐng)域的核心難題，備受關(guān)注。

　　來自中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所的消息說，該所高彩霞研究員團隊最新研發(fā)出一種新型可編程的染色體編輯技術(shù)(PCE)。該技術(shù)在動植物中實現(xiàn)了從千堿基到兆堿基級別DNA的多類型染色體精準操縱，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精準操縱技術(shù)，研究人員不僅能實現(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，在合成生物學等新興領(lǐng)域也有重要的應用前景。

　　本項研究PCE系統(tǒng)的開發(fā)和精準染色體編輯示意圖。(中國科學院遺傳發(fā)育所 供圖)

　　這項攻克大片段DNA精準編輯的重要成果論文，北京時間4日深夜在國際知名學術(shù)期刊《開云網(wǎng)站細胞》上線發(fā)表。審稿人評價認為，中國團隊發(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用潛力。

　　論文通訊作者高彩霞介紹說，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)NA(核糖核酸)引導Cas9等核酸酶靶向基因組特定位點，已廣泛應用于特定堿基和短片段DNA的精準編輯。但針對大片段DNA編輯，現(xiàn)有工具在編輯效率、尺度、精準性及類型多樣性等方面仍存在明顯不足。

　　研究團隊發(fā)現(xiàn)，位點特異性重組酶(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Lox位點之間的DNA重組來實現(xiàn)全基因組范圍內(nèi)的遺傳操縱，但Cre-Lox系統(tǒng)的應用受到3個關(guān)鍵問題的制約。

　　高彩霞指出，在本項研究中，研究團隊構(gòu)建出系統(tǒng)性技術(shù)路徑，逐一突破3項限制，并通過技術(shù)的集成優(yōu)化，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位點的插入位置和方向進行靈活編程，實現(xiàn)堿基從千比特(kb)到兆比特(Mb)尺度的大片段DNA精準無痕操縱。

　　研究團隊表示，他們在動植物細胞中，利用新研發(fā)的系統(tǒng)已成功實現(xiàn)18.8kb超大片段DNA的定點整合、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精準操縱技術(shù)，成功創(chuàng)制含315kb精準倒位的抗除草劑水稻種質(zhì)，展示出其廣泛應用前景。