近觀「兩山」丨大漠繪丹青
2025-11-01 03:35 1,659次浏览北京8月4日電 (記者 孫自法)在生命科學領域，基因組編輯技術的迅速發展和廣泛應用，為基礎研究和應用開發提供強大的技術支撐。不過，大片段DNA(脫氧核糖核酸)編輯一直面臨重大挑戰，對數千乃至數百萬鹼基的精準操縱更是基因編輯領域的核心難題，備受關注。 育種和基因治療有巨大應用潛力 來自中國科學院遺傳與發育生物學研究所(遺傳發育所)的消息說，該所高彩霞研究員團隊最新研發出一種新型可編程的染色體編輯技術(Programmable Chromosome Engineering，PCE)。該技術在動植物中實現了從千鹼基到兆鹼基級別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，研究人員不僅能實現多基因疊加編輯，還可通過操控基因組結構變異，為作物性狀改良和遺傳疾病治療開闢新路徑。同時，該技術有望推動新型育種策略的發展，例如通過操縱遺傳連鎖、調控重組頻率實現育性控制，以及消除連鎖累贅，充分釋放野生種質資源中優異等位基因的育種潛力。此外，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。 本項研究PCE系統的開發和精準染色體編輯示意圖。中國科學院遺傳發育所 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8月4日深夜在國際知名學術期刊《細胞》(Cell)上線發表。審稿人評價認為，中國團隊發表的研究工作，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。 系統應用受到3個關鍵問題制約 論文通訊作者高彩霞研究員介紹說，以基因編輯工具CRISPR及其衍生技術為代表的編輯系統，通過可編程的嚮導RNA(核糖核酸)引導Cas9等核酸酶靶向基因組特定位點，已廣泛應用於特定鹼基和短片段DNA的精準編輯。但針對大片段DNA編輯，現有工具在編輯效率、尺度、精準性及類型多樣性等方面仍存在明顯不足。 研究團隊發現，位點特異性重組酶(Cre-Lox)系統具有染色體水平DNA操縱潛力，其原理是在基因組中引入Lox序列後，由Cre重組酶介導Lox位點之間的DNA重組來實現全基因組範圍內的遺傳操縱。 然而，Cre-Lox系統的應用受到3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，不利於目的編輯的發生；Cre酶作為四聚體工作，提升其活性的工程改造難度高；重組後特異性位點殘留，影響編輯的精準性。 構建兩個可編程染色體編輯系統 高彩霞指出，為逐一突破上述限制，在本項研究中，研究團隊構建出系統性技術路徑：首先，開發高通量重組位點快速改造平臺，並提出不對稱Lox位點設計原則，成功創製新型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，基於研究團隊此前自主開發的融合蛋白通用逆摺疊模型、結構與進化約束信息的蛋白定向進化平臺AiCE，實現對Cre蛋白多聚化界面的精準優化，獲得重組效率提升至3.5倍的工程化Cre蛋白變體。 最後，研究團隊創建並優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對重組後殘留的Lox位點進行「重引導編輯」，將其精準替換為原有基因組序列。 通過這三項技術的集成優化，研究團隊成功構建PCE與RePCE兩個可編程染色體編輯系統，可對不同Lox位點的插入位置和方向進行靈活編程，實現鹼基從千比特(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，利用新研發的系統已成功實現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。他們還利用新型大片段DNA精準操縱技術，成功創製含315 kb精準倒位的抗除草劑水稻種質，展示出其廣泛應用前景。 據了解，AiCE成果7月上旬已在線發表於《細胞》，並將與此次研究成果以背靠背形式於8月下旬在《細胞》紙質版正式刊出。(完)
武漢8月5日電 題：中國如何拯救極度瀕危長江江豚？ ——專訪中國科學院水生生物研究所研究員王丁 記者 馬芙蓉 今年7月，世界首頭人工繁育的長江江豚「淘淘」迎來20歲生日，這是中國長江江豚保護歷程中又一代表性標誌。 作為中國特有淡水鯨類動物，長江江豚曾陷入種群持續衰退困境。經採取保護措施，終於迎來止跌回升的轉變。 飼養員為長江江豚「淘淘」餵食(資料圖)。武漢白鱀豚保護基金會供圖 長江江豚種群得到怎樣的保護？世界上存在哪些與長江江豚類似的瀕危鯨類？中國的保護經驗有何世界性啟示？世界自然保護聯盟鯨類專家組成員、中國科學院水生生物研究所研究員王丁日前就此接受「東西問」專訪。 現將訪談實錄摘要如下： 記者：為什麼長江江豚是長江生態「晴雨表」？其種群數量經歷了怎樣的變化？ 王丁：長江江豚俗稱「江豬」，形似海豚，主要分布於長江中下遊幹流、部分支流以及洞庭湖、鄱陽湖等大型通江湖泊，是長江中現存唯一鯨類動物。 長江江豚以小型魚類為食，處於長江生態系統食物鏈頂端，加之對河床、岸線、水質、噪聲變化極為敏感，因此其種群分布及數量變化，可以直觀反映長江生態環境和魚類資源變化，是衡量長江生態的「晴雨表」。 20世紀90年代初，長江江豚約3600頭。後來，受水域汙染、航運幹擾、過度捕撈等帶來的棲息地破壞、餌料減少等影響，2012年僅剩約1045頭。2013年，世界自然保護聯盟將其列為極度瀕危物種。 2016年1月，中國提出把修復長江生態環境擺在壓倒性位置，共抓大保護、不搞大開發。據2017年科考結果，其種群約為1012頭，與2012年相比，儘管數量依然有所下降，但是大幅下降趨勢得到初步遏制。 此後，隨著《中華人民共和國長江保護法》頒布實施，長江十年禁漁、長江岸線生態修復等系列措施落實，長江江豚身影頻現。2022年科考結果顯示，其種群約為1249頭，這是有監測記錄以來首次實現止跌回升。 2021年9月3日，江西南昌，幾隻野生長江江豚在贛江水域暢遊。記者 劉佔昆 攝 記者：自20世紀80年代起，中國探索建立了就地保護、遷地保護、人工飼養繁育三大保護策略。三大保護策略在長江江豚保護中發揮了什麼作用？ 王丁：三大保護策略相互支撐、協同聯動，既讓長江江豚等得起生態變好，又構建起物種存續的多重保障。 就地保護即在長江江豚分布相對密集的水域建立自然保護區。目前，中國在長江幹流及洞庭湖、鄱陽湖已建立8個就地保護區，保護區長度佔長江中下遊長度的30%以上。 遷地保護承擔「保種備份」功能，即將長江江豚遷入與長江生態環境相似的封閉或半封閉水域進行專門保護，待長江環境改善後再放歸。如今，中國已建立3個自然遷地保護種群和1個半自然遷地保護種群，長江江豚數量超160頭，每年有15頭以上幼豚出生。 2023年4月，經野化訓練，4頭生活在遷地保護區的長江江豚重返長江，標誌著遷地保護與野生種群恢復技術初步形成閉環。目前，又有3頭長江江豚正在接受野化訓練，將擇日放歸長江。 人工飼養繁育是在保護種質資源同時，通過對人工飼養群體繁殖生物學、發育生物學、行為學、生物聲學、營養學等研究，為野外種群保護提供技術支撐。中國科學院水生生物研究所經過近30年努力，構建起人工環境下成熟的飼養繁殖技術體系。如今，武漢白鱀豚館飼養著12頭長江江豚，其中5頭在人工飼養條件下出生，包括3頭二代江豚。 在長江大保護背景下，中國長江江豚保護正從「拯救保種」轉入「種群復甦」階段，相信不久將迎來自然種群的再度繁榮。 2025年4月25日，生活在武漢白鱀豚館的長江江豚。記者 馬芙蓉 攝 記者：世界範圍內存在哪些與長江江豚類似的瀕危小型鯨類，其生存境況如何？ 王丁：據世界自然保護聯盟物種生存委員會鯨類專家組統計，截至2020年7月，全世界已知鯨類動物有131種/亞種，其中22種為極度瀕危物種，20種為瀕危物種。 比如，生活在墨西哥加利福尼亞灣北部狹窄水域的加灣鼠海豚，是全球最小鯨類動物。因體形短小，極易被漁民使用的刺網纏繞誤傷致死，現存可能僅10頭左右。 為保護加灣鼠海豚，當地政府頒布禁令，禁止在其棲息區域使用刺網捕魚。然而，非法捕撈屢禁不止。2017年嘗試遷地保護時，因對其應激反應認知不足，一頭被捕個體起水後死亡，另一頭被迫釋放，計劃宣告失敗。 伊洛瓦底江豚同樣岌岌可危。其全球淡水種群僅存三個相互隔離的亞群，分別位於柬埔寨湄公河、緬甸伊洛瓦底江和印度尼西亞馬哈坎河，每個亞群數量均不足100頭。漁業誤捕、刺網纏繞是導致其意外死亡的首要因素。 目前，柬埔寨政府已設立保護區，明令禁止刺網捕魚，限制船隻速度和觀鯨活動；緬甸也與國際組織合作推行保護區管理計劃，通過培訓漁民和提供替代生計來減少漁業誤捕。然而，跨境協調、執法力度、替代漁具推廣等仍存瓶頸。 受水體汙染、灌渠工程建設、過度漁業、誤捕等影響，南亞的印河豚、恆河豚，生活在南美亞馬孫河流域、奧裡諾科河流域的亞馬孫河豚、土庫海豚，棲息於紐西蘭北島和南島沿岸海域的赫氏矮海豚，生存現狀同樣不容樂觀。 記者：在推動長江江豚保護經驗出海方面，您和團隊開展了哪些工作？ 王丁：世界自然保護聯盟專家評價：「中國長江江豚保護實踐，為全球小型鯨類保護點亮了黎明的曙光。」 作為世界自然保護聯盟鯨類專家組成員，我多次在國際會議上分享長江江豚保護經驗。中國科學院水生生物研究所多次組織來自美國、英國、澳大利亞、紐西蘭、柬埔寨、印尼、泰國等國家的政府官員、專家學者，赴長江江豚自然保護區、遷地保護區、人工飼養繁育基地等地考察。 今年5月底，武漢白鱀豚保護基金會聯合相關企業啟動「國際小型鯨類保護研究計劃」，探索將AI技術應用於小型鯨類保護研究，並與相關國家政府部門、管理機構及國際組織開展深度合作，協同各方深入研究當地小型鯨類生存現狀，輸出長江江豚保護技術與創新科技，為當地定製保護技術解決方案。 如今，長江江豚保護經驗正向東南亞國家推廣，長江江豚被動聲學監測技術已應用於柬埔寨湄公河伊洛瓦底江豚的監測和保護。 王丁(右一)向外國專家學者介紹長江江豚保護經驗。武漢白鱀豚保護基金會供圖 記者：中國長江江豚保護經驗可以為拯救世界瀕危小型鯨類提供哪些啟示？ 王丁：長江江豚保護並非「單一措施的成功」，而是「生態治理、政策保障、科研支撐、跨域協作、公眾參與」的協同。 小型鯨類對於自然棲息地的喪失極為敏感，因此自然棲息地保護是鯨類動物保護最重要、最根本、最有效的措施。長江江豚保護經驗證明：僅劃定保護區不足以逆轉衰退，需對整個生態系統進行全要素修復。比如，針對汙染突出水域，建立汙染源追溯、治理、問責機制；對漁業依賴型區域，推行「階段性禁漁+生態補償」機制，同步做好漁民轉產安置。 長江江豚保護成效，離不開法律剛性約束與跨部門聯合執法。這一經驗提示，需通過立法明確禁漁區、航運限制等保護紅線，並強化執法力度，對非法捕撈、排汙等行為嚴格追責，避免政策空轉。針對跨境物種，可建立跨境保護網絡。 遷地保護可以作為瀕危小型鯨類保護的有效補充措施，特別是針對自然棲息地遭受嚴重破壞的物種，應及時考慮、在物種仍具一定種群規模時構建遷地保種種群。 人工飼養繁育成本高、效率低，其價值在於積累技術，而非替代野外種群，因此應控制規模，以滿足科研和科普宣教為基本遵循。 社會參與、提升全民保護意識同樣重要。需加強科普宣傳教育，聯合社會公眾、民間組織、志願者、媒體之力共促保護行動。(完) 受訪者簡介： 王丁。受訪者供圖 王丁，中國科學院水生生物研究所研究員，從事鯨類學研究和保護工作逾40年，長期聚焦白鱀豚、長江江豚、中華白海豚、布氏鯨等鯨豚類研究和保護工作。兼任聯合國教科文組織人與生物圈計劃中國國家委員會秘書長、世界自然保護聯盟鯨類專家組成員等職務。先後主持國家自然科學基金重點項目等數十項課題，發表學術論文300餘篇、專著4部(合著)。2021年被國際海洋哺乳動物學會授予「榮譽會員」稱號，是唯一一位獲此榮譽稱號的中國學者。
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