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2025-11-09 18:51 2,579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)
盛夏的海南，諸多農作物新品種的夏收、夏種、夏管同時上演。海南一制種企業負責人王仕明正忙著將東方市感城鎮的一塊撂荒地盤活。「通過土壤改良，讓這裡成為常年可種植作物的制種基地。」王仕明說。 從利用當地氣候加代繁育到常年種子研發，從分散科研到集群協同，從育種到制種再到種業全產業鏈，依託國家南繁科研育種基地，海南正不斷刷新中國種業的底色。 2018年4月12日，習近平總書記來到國家南繁科研育種基地考察。總書記強調，良種在促進糧食增產方面具有十分關鍵的作用。要下決心把我國種業搞上去，抓緊培育具有自主智慧財產權的優良品種，從源頭上保障國家糧食安全。 「總書記在田頭看見我，第一句話就是『老謝，你也來啦』，非常親切，讓我非常感動。」中國科學院院士、福建省農業科學院研究員謝華安說，總書記到南繁基地和水稻展示田考察，說明他對國家的糧食生產和糧食安全非常重視，時時記在心上。 謝華安帶領團隊觀察水稻新品種結實粒情況(央廣網發 潘麗燕 攝) 一粒種子，連著「國之大者」，關係國家糧食安全主動權。牢記總書記的殷殷囑託，這幾年，謝華安帶領團隊在國家南繁科研育種基地持續攻關，培育出耐儲存、高產量的水稻新品種，讓實驗室成果在田間結出碩果。 三亞崖州灣科技城高新區是海南種業的主陣地。「2022年4月，總書記再次前來考察南繁科研育種工作，他強調，中國人的飯碗要牢牢端在自己手中，就必須把種子牢牢攥在自己手裡。這些叮囑我牢記心間，激勵我持續奮鬥。」崖州灣國家實驗室科研人員喬繼月說。 如今，越來越多的年輕科研人員紮根南繁熱土，快速成長為育種、制種主力軍。為了培育高耐鹽水稻新品種，喬繼月和所在團隊成員頂著烈日，在試驗田中對大量野生稻進行逐株篩選，目前已成功篩選出耐鹽的種質資源，為水稻耐鹽鹼遺傳改良提供了關鍵分子靶標。 喬繼月在做野生稻分子標記篩選實驗(央廣網記者 索迪 攝) 科研發力，技術賦能。近些年，國家南繁科研育種基地為種業科研裝上「中國芯」，雷射雷達、高光譜相機、各種傳感器為育種材料進行全方位、實時「體檢」，海量育種數據與大數據算法密切配合，作物新品種培育迎來加速度。 「好種多打糧。我們也通過努力，推動實驗室的科研成果轉化為現實生產力。」50年前，王仕明父親作為制種員從江西來到海南建設繁種基地。現在，王仕明在三亞、東方、樂東建設了2萬畝科研和生產基地，每年生產600萬斤到800萬斤水稻種子，可供全國300萬畝到400萬畝大田種植使用。 王仕明觀察不同品種水稻的生長情況(央廣網記者 索迪 攝) 如今，國家南繁科研育種基地已成為農業科研的加速器、種子供給的常備庫，每年有超過300萬份育種材料及品種進入南繁，全國已育成的農作物新品種中有70%以上經過南繁選育。追光逐熱，向「種」圖強，海南正加快建設服務全國的「南繁矽谷」。 「『南繁矽谷』就是中國種子的底座，我們要育成更多優良的種子，讓中國人種的是中國好種，中國飯碗裝的是中國糧。」謝華安說。 總監製：駱紅秉 總策劃：張軍 於鋒 監製：伍剛 宮歆慧 統籌：陶玉德 策劃：林韋瑋 卜葉 記者：索迪 剪輯：陶淦 鳴謝：崖州灣國家實驗室 崖州灣科技城管理局
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