中國網(wǎng)/中國發(fā)展門戶網(wǎng)訊（記者 王振紅）基因組編輯技術(shù)作為生命科學(xué)領(lǐng)域的一項革命性突破，為基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開發(fā)提供了強(qiáng)大的技術(shù)支撐。然而，大片段DNA編輯至今仍面臨重大挑戰(zhàn)，對數(shù)千乃至數(shù)百萬堿基的精準(zhǔn)操縱更是領(lǐng)域的核心難題?，F(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。

2025年8月4日，中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所高彩霞團(tuán)隊在國際學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》在線發(fā)表論文，系統(tǒng)報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 (Programmable Chromosome Engineering)。該技術(shù)首次在動植物中實現(xiàn)了從千堿基到兆堿基級別DNA的多種類型染色體精準(zhǔn)操縱，顯著提升了真核生物基因組的操縱尺度和能力。

PCE系統(tǒng)的開發(fā)和精準(zhǔn)染色體編輯示意圖。（中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所供圖）

高彩霞研究團(tuán)隊構(gòu)建了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(jìn)行靈活編程，實現(xiàn)從kb到Mb尺度的大片段DNA精準(zhǔn)無痕操縱。

研究團(tuán)隊構(gòu)建了系統(tǒng)性技術(shù)路徑。首先，開發(fā)了高通量重組位點快速改造平臺，并提出不對稱Lox位點設(shè)計原則，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，基于團(tuán)隊此前自主開發(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（AiCE成果已于7月7日在線發(fā)表在《細(xì)胞》雜志，并將與本研究成果以背靠背（back-to-back）形式于8月21日在《細(xì)胞》雜志正式刊出）。最后，研究團(tuán)隊創(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)計特異性pegRNA對重組后殘留的Lox位點進(jìn)行“重引導(dǎo)編輯”，將其精準(zhǔn)替換為原有基因組序列。

利用該技術(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。此外，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。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。研究團(tuán)隊還利用該技術(shù)成功創(chuàng)制了含315 kb精準(zhǔn)倒位的抗除草劑水稻種質(zhì)，展示了其廣泛應(yīng)用前景。

中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所高彩霞研究員為該論文的通訊作者，博士后孫超、助理研究員李洪超和已畢業(yè)博士生劉怡靜為共同第一作者。