武漢大學(xué)殷昊團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)新型基因編輯技術(shù)——擴(kuò)增編輯
基因編輯能做到單個(gè)基因位點(diǎn)的精準(zhǔn)編輯，但是缺乏高效精確的基因組結(jié)構(gòu)編輯工具?；驍U(kuò)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(kuò)增范圍從幾個(gè)堿基對(duì)到包含整個(gè)染色體的部分區(qū)域?；驍U(kuò)增在進(jìn)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(kāi)發(fā)一種高效且可編程的基因組編輯工具模擬基因擴(kuò)增這一結(jié)構(gòu)變異，有助于研究其功能和機(jī)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(tuán)隊(duì)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(kāi)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(zhǔn)復(fù)制的范圍從單個(gè)基因位點(diǎn)擴(kuò)展到染色體層面。
AE進(jìn)行基因擴(kuò)增的模擬圖
首先，研究團(tuán)隊(duì)在11個(gè)細(xì)胞系的多個(gè)位點(diǎn)進(jìn)行了驗(yàn)證。在AE復(fù)制長(zhǎng)度和效率方面，當(dāng)復(fù)制的DNA長(zhǎng)度為20 bp至8 Kb時(shí)，AE可進(jìn)行多次復(fù)制，形成串聯(lián)重復(fù)序列。當(dāng)復(fù)制長(zhǎng)度為1 Mb時(shí)，AE的編輯效率較高達(dá)73.0%；復(fù)制長(zhǎng)度為100 Mb（接近染色體的平均長(zhǎng)度）時(shí)，效率達(dá)到3.4%。通過(guò)原位熒光雜交、核型分析、全基因組測(cè)序等實(shí)驗(yàn)，可以直接觀察到染色體區(qū)域的復(fù)制。在AE編輯的精準(zhǔn)度方面，連接處的二代測(cè)序和全長(zhǎng)的三代測(cè)序數(shù)據(jù)顯示，indels均低于1%。
其次，研究團(tuán)隊(duì)利用AE精準(zhǔn)修正了綠色熒光蛋白序列和實(shí)現(xiàn)miRNA的內(nèi)源性過(guò)表達(dá)。同時(shí)，在髓性白血病細(xì)胞系K562中建立的α地中海貧血模型，并測(cè)試了AE的效果，實(shí)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(dá)、擴(kuò)增miRNA并增加模型細(xì)胞系中的α-珠蛋白的表達(dá)。
接下來(lái)，AE在人源和鼠源干細(xì)胞的多個(gè)位點(diǎn)均實(shí)現(xiàn)了高效精準(zhǔn)的短片段和Mb級(jí)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(cè)序驗(yàn)證了編輯的精準(zhǔn)性。這表明AE能夠精準(zhǔn)構(gòu)建超大片段復(fù)制相關(guān)的疾病模型。
最后，研究團(tuán)隊(duì)還對(duì)AE的機(jī)制進(jìn)行了初步探究。在被抑制細(xì)胞周期的RPE-1細(xì)胞中，AE的效率降低。在小鼠原代神經(jīng)元中，AE只可實(shí)現(xiàn)短片段的復(fù)制。這說(shuō)明AE在Mb級(jí)別的復(fù)制依賴(lài)于細(xì)胞周期。
綜上所述，該研究開(kāi)發(fā)了一種名為“Amplification Editing（AE）”的基因組編輯工具，可實(shí)現(xiàn)從短片段到染色體長(zhǎng)度的精準(zhǔn)復(fù)制。該工具的開(kāi)發(fā)可促進(jìn)基因組疾病模型的建立，推動(dòng)基因進(jìn)化和癌癥機(jī)制相關(guān)的研究。
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