基因組編輯技術作為生命科學領域的一項革命性突破，為基礎研究和應用開發(fā)提供了強大的技術支撐。以 CRISPR 及其衍生技術為代表的編輯系統(tǒng)通過可編程的向導 RNA（gRNA）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。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)百萬堿基的精準操縱更是領域的核心難題。
突破該技術壁壘，將為實現(xiàn)大尺度基因組操縱提供關鍵支撐--包括基因關鍵區(qū)域的替換與修復、功能基因序列的完整插入、基因簇的刪減或重定位，以及人工構建基因組結構變異等。這不僅能推動遺傳操縱技術的革新，更將成為疾病治療與作物改良技術瓶頸的重要突破口。
理想的大片段 DNA 編輯工具同時支持染色體水平的多種編輯類型，包括精準插入、替換、刪除、倒位與易位等。然而，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。
2025 年 8 月 4 日，中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所高彩霞團隊在 Cell 期刊發(fā)表了題為：Iterative recombinase technologies for efficient and precise genome engineering across kilobase to megabase scales 的研究論文【1】。
該研究系統(tǒng)報道了一種新型可編程的染色體水平的大片段 DNA 精準操縱技術--PCE（Programmable Chromosome Engineering）。該技術在動植物中實現(xiàn)了從千堿基（kb）到兆堿基（Mb）級別 DNA 的多種類型且精準、無痕的編輯，顯著提升了真核生物基因組的操縱尺度和能力。
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，但其應用受到三個關鍵問題的制約--
Lox 位點固有的對稱性導致重組反應可逆，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；
重組后特異性位點殘留，影響編輯的精準性。
為逐一突破上述限制，研究團隊構建了系統(tǒng)性技術路徑。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 位點設計原則，成功創(chuàng)制新型 Lox 變體，其可逆性重組活性降低至接近陰性對照水平，同時保持其原有的高效正向重組能力。
其次，基于團隊此前自主開發(fā)的融合蛋白通用逆折疊模型、結構與進化約束信息的蛋白定向進化平臺--AiCE，實現(xiàn)對 Cre 蛋白多聚化界面的精準優(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 Cell 在線發(fā)表【2】，并將與該研究成果以背靠背（back-to-back）形式于 8 月 21 日在 Cell 正式刊出。
最后，研究團隊創(chuàng)建并優(yōu)化了重組酶的無痕編輯策略--Re-pegRNA，利用引導編輯器的高效編輯特性，通過設計特異性 pegRNA 對重組后殘留的 Lox 位點進行"重引導編輯"（re-prime editing），將其精準替換為原有基因組序列。
通過上述三項技術的集成優(yōu)化，研究團隊構建了 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行靈活編程，實現(xiàn)從 kb 到 Mb 尺度的大片段 DNA 精準無痕操縱。在動植物細胞中，利用該系統(tǒng)成功實現(xiàn)了 18.8 kb 超大片段 DNA 的定點整合、5 kb 序列的定向替換、12 Mb 的染色體倒位、4 Mb 的染色體刪除及整條染色體的易位，并利用該技術創(chuàng)制了含 315 kb 精準倒位的抗除草劑水稻種質。
PCE 系統(tǒng)的開發(fā)和精準染色體編輯概述
綜上，該研究開發(fā)了新型染色體編輯系統(tǒng) PCE，在動植物中實現(xiàn)了跨越 kb 到 Mb 級別的多類型染色體精準操縱。該工具不僅能實現(xiàn)多基因疊加，還可通過操控基因組結構變異（Structural Variations，SVs），為作物性狀改良和遺傳疾病治療開辟新路徑。此外，該技術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，充分釋放野生種質資源中優(yōu)異等位基因的育種潛力。精準染色體編輯技術的突破將加速人工染色體構建，在合成生物學等新興領域也有重要的應用前景。正如審稿人所評價的--這項工作代表了基因工程領域的重大突破，在育種和基因治療方面具有巨大的應用潛力。"
中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所高彩霞研究員為該論文通訊作者，博士后孫超、助理研究員李洪超和已畢業(yè)博士生劉怡靜為論文共同第一作者。該研究得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項、北京市科學技術委員會、山東省重點研發(fā)計劃（農業(yè)良種工程）、農業(yè)農村部和新基石科學基金等項目的資助。
論文鏈接：
1. https://www.cell.com/cell/abstract/S0092-8674(25)00800-1
2. https://www.cell.com/cell/abstract/S0092-8674(25)00680-4
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