作為生命科學(xué)領(lǐng)域的一項(xiàng)革命性突破，基因組編輯技術(shù)已經(jīng)能夠像修剪樹枝般精準(zhǔn)修改短片段DNA，但大片段DNA編輯仍是難題。
8月4日晚，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)在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》在線發(fā)表論文，系統(tǒng)報(bào)道了一種新型可編程的染色體水平大片段DNA精準(zhǔn)操縱技術(shù)PCE，實(shí)現(xiàn)了真核生物基因組千堿基到兆堿基級(jí)別DNA的“精準(zhǔn)編輯”。
審稿人對(duì)此評(píng)價(jià)：這項(xiàng)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。
PCE系統(tǒng)的開發(fā)和精準(zhǔn)染色體編輯示意圖。（中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所供圖）
破解基因組編輯“尺度困境”
DNA作為生命密碼，儲(chǔ)存著決定生物性狀、生命活動(dòng)乃至進(jìn)化方向的遺傳信息。當(dāng)前，被稱為“基因剪刀”的CRISPR及其衍生技術(shù)，已經(jīng)在特定堿基和短片段DNA中廣泛應(yīng)用。
然而，對(duì)數(shù)千乃至數(shù)百萬(wàn)堿基的精準(zhǔn)操縱是大片段DNA編輯的核心難題，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)開發(fā)了超大片段DNA精準(zhǔn)無(wú)痕編輯新方法，構(gòu)建PCE與RePCE兩個(gè)可編程染色體編輯系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)超大片段DNA精準(zhǔn)無(wú)痕操縱，成功破解了基因組編輯的“尺度困境”。
中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員高彩霞介紹，這項(xiàng)技術(shù)能夠在植物和動(dòng)物細(xì)胞中實(shí)現(xiàn)數(shù)百萬(wàn)堿基級(jí)別DNA的多類型精準(zhǔn)操縱，顯著提升真核生物基因組的操縱尺度和能力。
三項(xiàng)創(chuàng)新突破技術(shù)瓶頸
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，但其進(jìn)一步應(yīng)用受到三大關(guān)鍵問(wèn)題制約。為此，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建系統(tǒng)性技術(shù)路徑，實(shí)現(xiàn)三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新，為超大片段DNA精準(zhǔn)無(wú)痕編輯裝上“導(dǎo)航系統(tǒng)”。
——“雙向門”改為“單通道”。為破解Lox位點(diǎn)固有對(duì)稱性導(dǎo)致的重組反應(yīng)可逆問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地開發(fā)了高通量重組位點(diǎn)快速改造平臺(tái)，成功打造新型Lox變體，如同單向閘機(jī)門，只允許DNA片段按預(yù)定方向移動(dòng)，更有利于目的編輯的發(fā)生。
——借助人工智能對(duì)Cre重組酶進(jìn)行“團(tuán)隊(duì)優(yōu)化”。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，Cre重組酶是DNA片段的搬運(yùn)工人，基于研究團(tuán)隊(duì)此前自主開發(fā)的人工智能新型蛋白質(zhì)定向進(jìn)化方法AiCE，研究人員對(duì)Cre蛋白多聚化界面進(jìn)行精準(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，有效提高其活性，提升“工作效率”。
——打造“無(wú)痕編輯策略”Re-pegRNA。為避免重組后特異性位點(diǎn)殘留干擾基因組編輯的精準(zhǔn)性，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的Re-pegRNA策略就像一塊智能橡皮擦，能精準(zhǔn)識(shí)別并消除這些殘留位點(diǎn)，提高編輯精準(zhǔn)性。
多場(chǎng)景應(yīng)用將有望實(shí)現(xiàn)
業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，利用超大片段DNA精準(zhǔn)無(wú)痕編輯新方法，通過(guò)操控基因組結(jié)構(gòu)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(tǒng)育種中，優(yōu)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(zhǔn)無(wú)痕編輯的技術(shù)突破，有望推動(dòng)新型育種策略的發(fā)展，如通過(guò)操縱遺傳連鎖、調(diào)控重組頻率實(shí)現(xiàn)育性控制、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。
目前，研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)利用該技術(shù)成功創(chuàng)制了含315千堿基精準(zhǔn)倒位的抗除草劑水稻種質(zhì)。
在遺傳疾病治療領(lǐng)域，這項(xiàng)技術(shù)有望為因染色體異常導(dǎo)致的疾病提供新的治療思路。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)域有重要的應(yīng)用前景。
