深圳經濟特區建立45周年主題圖片展啟幕
2025-10-22 19:01 5,689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)
8月的高原，青稞金黃。在西藏自治區山南市錯那市覺拉鄉，200畝試驗田被分割成300多塊梯田。一片生長在鹽鹼地裡的特殊飼草剛萌出嫩芽，正茁壯成長——這是經過航天育種技術培育的蛋白草。 這批高原航天牧草一共有7個品種，是利用航天誘變技術培育的新品種，與普通飼草相比，其在鹽鹼地裡抗鹽耐旱的表現尤為突出，更耐得住零下四十度的嚴寒。 種植在西藏錯那市覺拉鄉的高原航天牧草。人民網記者 次仁羅布攝 「7月17日移栽到大田的蛋白草是目前最後一個實驗品種，生長迅速，每天可長高4-5公分。」陝西省航天育種工程技術研究中心地面選育基地負責人袁中權在田間介紹，該品種表現出極強的抗寒性，去年冬季經受嚴寒考驗後，今年3月底在錯那市試驗田未經澆水施肥就自然發芽。截至觀察時，植株最高已達2.5米，預計畝產量可達15-25噸，是目前錯那市表現最優異的飼草品種。 正在接受採訪的陝西省航天育種工程技術研究中心地面選育基地負責人袁中權。人民網記者 次仁羅布攝 袁中權算了一筆帳，畝產15噸飼草，按70%的脫水量做成青貯飼料，可以產10噸。按照目前的市價，假設一噸飼草在這能賣1200元，除去各種成本，一畝地一年能產8000元的經濟效益。 航天育種高原牧草選育實驗基地裡的植株。人民網記者 次仁羅布攝 除了這些飼草，去年9月26日錯那本土的5個油菜品種和6個青稞品種搭載著十九號返回式衛星進入太空，享受了一次特殊的「旅途」，在宇宙射線和微重力環境下完成了基因重組。 當地村民在高原航天育種基地務工。人民網記者 次仁羅布攝 「這些篩選出的品種不僅需滿足性狀穩定的基本要求，更要在抗鹽鹼地、產量、株型等指標上展現獨特潛力。選苗育種也要經過層層嚴苛的『體檢』，優中選優。」袁中權說。 當種子完成太空之旅後，真正的挑戰才剛剛開始。返回的每一粒種子都是寶貝，經過「太空旅行」的品種要通過3年的地面選育，評估植物品種的產量和品質。 搭載十九號返回式衛星進入太空的青稞品種。人民網記者 次仁羅布攝 「當地人說我們錯過了最佳種植期」，袁中權回憶6月初改良土壤時的質疑，不禁還是捏了一把冷汗。 好在這些種子憑藉出色的基因，在播種42天後就長到60釐米，分櫱數達到10個，是普通品種的近兩倍。據了解，青稞的這個生長期一般都是100～130天，而這個品種大約在115天。 未來，袁中權團隊將繼續監控和評估航天育種植株的生長情況，推廣航天牧草和蔬菜種植技術，建立有機肥廠以改善土壤質量，讓更多「太空種子」在雪域高原生根發芽。 記者：郝潔 次仁羅布 來源：人民網
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