基因組編輯技術(shù)作為生命科學(xué)領(lǐng)域的一項(xiàng)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。以 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)?RNA（gRNA）引導(dǎo) Cas9 等核酸酶靶向基因組特定位點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于特定堿基和短片段 DNA 的精準(zhǔn)編輯。然而，大片段 DNA 編輯至今仍面臨重大挑戰(zhàn)，對(duì)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。
突破該技術(shù)壁壘，將為實(shí)現(xiàn)大尺度基因組操縱提供關(guān)鍵支撐--包括基因關(guān)鍵區(qū)域的替換與修復(fù)、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(gòu)建基因組結(jié)構(gòu)變異等。這不僅能推動(dòng)遺傳操縱技術(shù)的革新，更將成為疾病治療與作物改良技術(shù)瓶頸的重要突破口。
理想的大片段 DNA 編輯工具同時(shí)支持染色體水平的多種編輯類型，包括精準(zhǔn)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(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(duì)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(bào)道了一種新型可編程的染色體水平的大片段 DNA 精準(zhǔn)操縱技術(shù)--PCE（Programmable Chromosome Engineering）。該技術(shù)在動(dòng)植物中實(shí)現(xiàn)了從千堿基（kb）到兆堿基（Mb）級(jí)別 DNA 的多種類型且精準(zhǔn)、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(diǎn)特異性重組酶 Cre-Lox 系統(tǒng)具有染色體水平 DNA 操縱潛力，但其應(yīng)用受到三個(gè)關(guān)鍵問題的制約--
Lox 位點(diǎn)固有的對(duì)稱性導(dǎo)致重組反應(yīng)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(diǎn)殘留，影響編輯的精準(zhǔn)性。
為逐一突破上述限制，研究團(tuán)隊(duì)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(diǎn)快速改造平臺(tái)，并提出不對(duì)稱 Lox 位點(diǎn)設(shè)計(jì)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(duì)照水平，同時(shí)保持其原有的高效正向重組能力。
其次，基于團(tuán)隊(duì)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(tái)--AiCE，實(shí)現(xiàn)對(duì) 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 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(tuán)隊(duì)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(jì)特異性 pegRNA 對(duì)重組后殘留的 Lox 位點(diǎn)進(jìn)行"重引導(dǎo)編輯"（re-prime editing），將其精準(zhǔn)替換為原有基因組序列。
通過上述三項(xiàng)技術(shù)的集成優(yōu)化，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了 PCE 與 RePCE 兩個(gè)可編程染色體編輯系統(tǒng)，可對(duì)不同 Lox 位點(diǎn)的插入位置和方向進(jìn)行靈活編程，實(shí)現(xiàn)從 kb 到 Mb 尺度的大片段 DNA 精準(zhǔn)無痕操縱。在動(dòng)植物細(xì)胞中，利用該系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了 18.8 kb 超大片段 DNA 的定點(diǎn)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(shù)創(chuàng)制了含 315 kb 精準(zhǔn)倒位的抗除草劑水稻種質(zhì)。
PCE 系統(tǒng)的開發(fā)和精準(zhǔn)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(dòng)植物中實(shí)現(xiàn)了跨越 kb 到 Mb 級(jí)別的多類型染色體精準(zhǔn)操縱。該工具不僅能實(shí)現(xiàn)多基因疊加，還可通過操控基因組結(jié)構(gòu)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(shù)有望推動(dòng)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(shí)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。正如審稿人所評(píng)價(jià)的--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。"
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(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、北京市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)、山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（農(nóng)業(yè)良種工程）、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部和新基石科學(xué)基金等項(xiàng)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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