在探索生命奥秘的漫长旅程中，人类始终不懈地寻找着解开遗传密码的钥匙。2019年，引导编辑技术的诞生开启了基因工程领域的新篇章，它不仅能够对DNA的四个基础“字母”进行任意替换，还能在小于200个碱基对的范围内，精准地插入或删除DNA片段，如同一位微雕艺术家在生命的蓝图上进行着细致入微的修改。
引导编辑器是一种基于“搜索和重写” 的基因组编辑方式。与以往的基因编辑技术相比，引导编辑的突破在于可以精确实现所有12种任意类型的碱基置换、多碱基替换和DNA小片段的定点插入与删除，极大地拓宽了基因组编辑的范围。
中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞研究员
中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞研究员介绍，引导编辑的核心机制涉及一系列精细的操作:Guide RNA作为导航员，先是在非目标DNA链上制造一个细微的缺口，缺口处DNA和Guid RNA会发生结合。在逆转录酶的辅助下，Guid RNA上携带的全新的遗传指令将被精确地写入基因组的指定位置，实现了基因序列的定向改造。这样的编辑方式不仅减少了不必要的DNA损伤，还极大地提升了编辑的精确度和灵活性。
尽管引导编辑技术潜力巨大，但在早期应用中仍存在着效率低下、设计复杂等实际难题，这对于要求高度精准的科学研究而言，无疑构成了重大挑战。面对这一现状，高彩霞及其团队开始对引导编辑系统进行全方位的优化升级。研究组通过对引导编辑系统进行多轮升级改造，开发出“Tm值指导PBS序列设计”“双pegRNA策略”“逆转录酶的工程化改造”三种优化策略，将引导编辑系统效率平均提升了10倍以上。高彩霞表示，为了让这一创新技术惠及更广泛的科研群体，研究组开发了一个高效、自动化的引导编辑实验设计工具PlantPegDesigner，以简化设计流程并降低技术门槛。
除此之外，高彩霞及其团队还在植物中建立了更高效、广适的新型引导编辑系统ePPE。“升级版”的引导编辑系统能更精准地在植物DNA上进行“雕刻”。它的独特之处在于不是只对pegRNA进行优化，还在蛋白组分上进行改造设计。ePPE既能够在碱基替换、小片段插入、删除以及较大片段的插入和删除等多种编辑类型下将平均编辑效率提高5.8倍，还能不增加脱靶及副产物的发生。
这项创新意味着在植物育种和作物改良等领域，科学家们有了一个更强大、更可靠的工具，能够更精准地修改作物基因，促进植物生长、增强抗病虫害能力，甚至是改善食物营养，为我们的餐桌带来更多健康选择。
高彩霞表示，尽管在小片段DNA操作技术目前已取得可观的成果，但大片段DNA的精准插入仍然是一个亟待解决的问题。如何提高编辑效率，实现更大规模的基因片段精准整合，将是未来研究的重要课题。
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