科研人員構建bridgeRNA引導的大片段編輯系統

基因組大片段的精準操控是作物育種和合成生物學領域的關鍵需求。CRISPR-Cas系統依賴DNA雙鏈斷裂（DSB），大片段重排效率低且易產生副產物。經典重組酶識別序列固定、無法重新編程。近年，bridge RNA（bRNA）引導的IS110家族重組酶系統為實現可編程、無DSB、無縫接頭的大片段編輯開辟了新路徑，但在植物中尚未驗證。

近日，中國科學院遺傳與發育生物學研究所首次將bRNA引導的重組酶系統應用于植物，通過對bRNA和重組酶的協同工程化改造，在水稻中實現了高達315kb片段的精準刪除和倒位，并在哺乳動物細胞中通過單個AAV載體遞送實現了大片段基因組重排，為跨物種大片段精準基因組編輯提供了全新平臺。

通過測試，研究團隊選定了ISCro4重組酶系統作為改造底盤。團隊首先結合結構分析對bRNA骨架進行了系統性改造，構建了一系列bRNA變體，將編輯效率較野生型最高提升了15.3倍。在bRNA優化的基礎上，團隊利用之前開發的AI輔助定向進化平臺AiCE對ISCro4重組酶進行深度改造，在三個結構域中設計了78個單點突變，篩選鑒定出E220A和D164E兩個關鍵突變。雙突變體Rm7（E220A/D164E）與bRNA最優變體bRNA_mT6D16的組合實現了29.8倍的總體活性提升，在水稻原生質體中達到9.4%的編輯效率。

在再生水稻植株中，優化后的系統成功介導了27-315kb片段的精準刪除和倒位，穩定編輯效率最高達23.9%。研究團隊通過315kb基因組大片段倒位使OsHIS1表達量上調15.1倍，突變體植株在除草劑處理下表現出增強的抗性表型。研究團隊還利用ISCro4的緊湊尺寸（<350個氨基酸），將其連同bRNA表達框包裝至單個腺相關病毒（AAV）載體中，在哺乳動物細胞中實現了31kb倒位和30kb刪除。

該研究首次在植物中建立了bRNA引導的重組酶編輯系統，通過bRNA與重組酶的協同工程化實現了編輯效率的大幅提升，為實現可編程、無DSB、無縫接頭的大片段基因組編輯提供了全新工具，有望顯著加速作物精準育種和合成生物學研究進程。

相關研究成果發表在《生物技術趨勢》（Trends in Biotechnology）上。研究工作得到國家重點研發計劃等的支持。

論文鏈接

基于橋接RNA引導重組酶技術的可編程大片段基因組編輯方法及其工程化應用