武漢大學(xué)殷昊團隊開發(fā)新型基因編輯技術(shù)——擴增編輯
基因編輯能做到單個基因位點的精準編輯，但是缺乏高效精確的基因組結(jié)構(gòu)編輯工具?；驍U增（基因重復(fù)）是指在生物體內(nèi)復(fù)制DNA片段，形成重復(fù)序列。擴增范圍從幾個堿基對到包含整個染色體的部分區(qū)域。基因擴增在進化、遺傳性疾病和癌癥的發(fā)生發(fā)展中扮演重要角色，是一種染色體的結(jié)構(gòu)變異。因此，開發(fā)一種高效且可編程的基因組編輯工具模擬基因擴增這一結(jié)構(gòu)變異，有助于研究其功能和機制。
2024年6月26日，武漢大學(xué)醫(yī)學(xué)研究院/中南醫(yī)院醫(yī)學(xué)研究院/教育部免疫與代謝前沿科學(xué)中心/泰康生命醫(yī)學(xué)中心殷昊教授團隊在 Cell 期刊發(fā)表了題為：Amplification editing enables efficient and precise duplication of DNA from short sequence to megabase and chromosomal scale 的研究論文。
該研究開發(fā)了一種名為Amplification Editing（AE）的方法，以可編程的方式精確高效地復(fù)制從小片段到包含特定染色體大部分區(qū)域的基因組序列，是一種高效精確的基因組結(jié)構(gòu)編輯工具，將精準復(fù)制的范圍從單個基因位點擴展到染色體層面。
AE進行基因擴增的模擬圖
首先，研究團隊在11個細胞系的多個位點進行了驗證。在AE復(fù)制長度和效率方面，當復(fù)制的DNA長度為20 bp至8 Kb時，AE可進行多次復(fù)制，形成串聯(lián)重復(fù)序列。當復(fù)制長度為1 Mb時，AE的編輯效率較高達73.0%；復(fù)制長度為100 Mb（接近染色體的平均長度）時，效率達到3.4%。通過原位熒光雜交、核型分析、全基因組測序等實驗，可以直接觀察到染色體區(qū)域的復(fù)制。在AE編輯的精準度方面，連接處的二代測序和全長的三代測序數(shù)據(jù)顯示，indels均低于1%。
其次，研究團隊利用AE精準修正了綠色熒光蛋白序列和實現(xiàn)miRNA的內(nèi)源性過表達。同時，在髓性白血病細胞系K562中建立的α地中海貧血模型，并測試了AE的效果，實現(xiàn)了HBA基因的mRNA水平的提高和 α/γ-珠蛋白比例的上升。這些結(jié)果表明AE能夠恢復(fù)基因表達、擴增miRNA并增加模型細胞系中的α-珠蛋白的表達。
接下來，AE在人源和鼠源干細胞的多個位點均實現(xiàn)了高效精準的短片段和Mb級別編輯，模擬了染色體微重復(fù)疾病的基因型，并使用全基因組測序驗證了編輯的精準性。這表明AE能夠精準構(gòu)建超大片段復(fù)制相關(guān)的疾病模型。
最后，研究團隊還對AE的機制進行了初步探究。在被抑制細胞周期的RPE-1細胞中，AE的效率降低。在小鼠原代神經(jīng)元中，AE只可實現(xiàn)短片段的復(fù)制。這說明AE在Mb級別的復(fù)制依賴于細胞周期。
綜上所述，該研究開發(fā)了一種名為“Amplification Editing（AE）”的基因組編輯工具，可實現(xiàn)從短片段到染色體長度的精準復(fù)制。該工具的開發(fā)可促進基因組疾病模型的建立，推動基因進化和癌癥機制相關(guān)的研究。
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