引言

复制是分子进化的基础，也是基因组和复杂疾病的驱动因素。2024年6月26日，武汉大学殷昊团队在Cell 在线发表题为“Amplification editing enables efficient and precise duplication of DNA from short sequence to megabase and chromosomal scale”的研究论文，该研究开发了一种名为扩增编辑(AE)的基因组编辑工具，可以在染色体尺度上精确地进行可编程DNA复制。AE可以复制20 bp到100 Mb的人类基因组，大小与人类染色体相当。

AE在多种细胞类型中表现出活性，包括二倍体、单倍体和原代细胞。AE在重复1 Mb和100 Mb时的效率分别为73.0%和3.4%。全基因组测序和编辑序列连接的深度测序证实了复制的准确性。AE可以在胚胎干细胞的疾病相关区域内产生染色体微复制，表明其产生细胞和动物模型的潜力。AE是染色体工程和DNA复制的一种精确而有效的工具，将精确基因组编辑的领域从单个遗传位点扩展到染色体尺度。

基于CRISPR的工具已经实现了有针对性的基因组改变。CRISPR-Cas核酸酶通过非同源末端连接导致双链断裂(DSBs)引入小的插入或缺失(indels)。或者，它们可以通过同源定向修复(homology-directed repair, HDR)利用供体模板促进点突变、插入和删除。碱基编辑器将催化受损的Cas核酸酶与脱氨酶结合在一起，使特定位点的C-to-T或A-to-G突变独立于HDR机制。先导编辑器(PE)集成了Cas9缺口酶和逆转录酶(RT)，而先导编辑向导RNA (pegRNA)包括RT模板(RTT)，以便在没有供体DNA的情况下精确修饰缺口位点的短序列。结合PE和整合酶允许精确删除，插入，或倒置高达36千碱基(kb)的DNA。相反，当Cas9核酸酶与一对单向导RNA (sgRNAs)一起使用时，如果sgRNAs靶向不同的染色体，则可以诱导基因组结构变异，如大缺失、倒位，甚至染色体易位和反式等位基因重组。然而，这些方法主要生成indels，而更复杂的结构编辑效率要低得多，并且经常混合各种结果。尽管精确修改单个基因座的基因编辑工具取得了重大进展，但仍然缺乏能够有效和精确地设计基因组结构变异的基因组编辑工具。基因复制，或基因扩增，被定义为从几个碱基对到主要染色体区域的DNA片段的一个或多个副本的复制。在进化过程中，基因复制是产生新基因和为复杂生物体增加遗传多样性的主要力量。拷贝数变异(CNVs)通常由基因复制引起，在人类基因组中经常观察到。CNVs可引起遗传性和基因组性疾病，是复杂疾病的遗传基础。例如，亚显微镜下的染色体复制，通常称为染色体微复制，其范围通常从一半到几个兆碱基(Mb)不等，可产生一系列人类疾病表型。这些情况包括面部畸形、智力残疾、自闭症谱系障碍和各种其他表现。

文章模式图（Credit: Cell）

基因扩增事件，包括致癌基因拷贝数的增加，在癌症中经常被发现，是肿瘤发生和癌症进化的重要驱动因素。人类基因组的一半以上是由重复序列组成的一些重复序列，包括端粒和着丝粒，是基因组的重要结构，而其他重复序列在驱动各种疾病中起着有害的作用。尽管现有的知识，一个有效的和可编程的系统来模拟扩增和产生跨尺度的重复序列，可以促进其功能和潜在机制的研究。该研究开发了一种名为扩增编辑(AE)的方法，以可编程的方式精确有效地复制基因组序列从20 bp到100 Mb。由于复制大小从20 bp到约8 kb不等，AE可以多次复制以生成多个副本。AE复制1 Mb的效率为73.0%，复制100 Mb的能力达到染色体尺度(人类14号染色体的大小为107 Mb)。通过AE复制100 Mb，该研究观察到染色体的表型延伸和长臂上标记基因的重复。复制是精确的，全基因组测序和连接的深度测序证明了这一点。AE是一种能够高效、精确地设计染色体结构的基因组编辑工具，将精确基因组编辑的版图从单个基因座扩展到染色体尺度。

参考文献

https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.05.056

责编|探索君

排版|探索君

文章来源|“iNature”

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