基因组编辑技术在高等生物中实现精确、大规模的DNA操作方面面临挑战，包括效率低下、编辑规模和类型有限，以及保留重组位点（“scars”）等不需要的序列。
2025年8月4日，中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞团队在Cell在线发表题为“Iterative recombinase technologies for efficient and precise genome engineering across kilobase to megabase scales”的研究论文，该研究介绍了可编程染色体工程（PCE）和RePCE，这两种可编程染色体编辑系统能够在植物和人类细胞中实现精准无痕的千碱基到兆碱基DNA操作。
通过高通量工程，获得了可逆性降低10倍的Lox位点，并应用人工智能辅助重组酶工程方法（AiCErec）产生了Cre变体，其重组效率是野生型的3.5倍。结合RepegRNA介导的无痕策略进一步提高了编辑精度，允许在染色体水平上进行无痕插入、缺失、替换、倒置和易位。关键应用包括水稻中315kb的反转，赋予除草剂抗性，无痕染色体融合，以及人类疾病相关位点的12Mb反转。这些进展显著拓宽了基因组编辑在分子育种、治疗开发和合成生物学中的应用范围。
随着生命科学在揭示基因组复杂性以改变医学和农业方面的进步，精确染色体编辑技术的发展对于克服基因操纵、疾病治疗和作物改良方面的挑战至关重要。下一代基因组编辑工具必须能够进行染色体水平的修改，包括插入、缺失、反转和易位。这些工具不仅应允许多基因堆叠，还应通过控制基因组结构变异（SV）来调节植物性状和治疗遗传疾病。此外，这些技术促进了育种方法，如重组遗传连锁、调节重组频率以控制育性，以及消除连锁阻力以促进利用优良的野生种质等位基因。此外，精确的染色体重排允许在体内构建人工染色体，在分子育种、合成生物学和分子治疗方面显示出巨大的潜力。
基因组编辑的最新进展集中在小的DNA修饰上，而不是大规模的DNA编辑上。修饰大DNA片段的传统方法依赖于双链断裂（DSB）和非同源末端连接（NHEJ），这可能会引入不希望的插入和缺失，并可能导致细胞损伤。最近，出现了操纵大DNA片段不依赖于DSB的技术。其中一种方法是使用成对的pegRNAs（prime editing guide RNA）进行先导编辑，以在哺乳动物细胞中实现大规模DNA编辑。另一种方法将位点特异性重组酶与CRISPR系统相结合，如PASSIGE、PASTE和PrimeRoot系统，这些系统能够在哺乳动物细胞和植物中进行大规模DNA插入。然而，这些技术仍然面临着效率低下、编辑规模有限等挑战。
机理模式图（图源自Cell）
在这项研究中，研究人员开发了一种无痕染色体编辑系统，可以在植物和人类细胞中进行高效、大规模的DNA操作，应用范围从千碱基到兆碱基。设计了一种快速、高通量的方法来改造重组位点（RS），并为Cre-Lox系统生成了新的RS，其可逆性降低了10倍。该研究开发了人工智能辅助重组酶工程（AiCErec），这是一种旨在优化Cre重组酶以提高重组效率的计算方法。使用AiCErec，成功地创造了一种Cre变体，其重组效率是野生型酶的3.5倍。
基于这些创新，研究人员开发了一种可编程染色体工程（PCE）系统，该系统涉及使用素数编辑设计具有改变方向性的RS插入，然后进行基因组DNA重组。当应用于细胞和植物时，PCE系统产生了高达18.8 kb的精确DNA插入、高达4 Mb的缺失、高达5 kb的替换、高达12 Mb的反转和染色体易位，效率达到26.2%。与此相一致，使用RepegRNA程序设计了一种无痕染色体编辑策略（RePCE）。这种方法扩大了目标站点的范围，并为PCE提供了一个无痕和高效的平台。这些结果共同凸显了PCE平台的多功能性和可靠性。随着基因组工程朝着复杂设计的方向发展，PCE和RePCE为跨不同物种和规模的大DNA片段的可编程、高效和无痕操作提供了一个强大的框架。
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