Nat Chem Biol | 殷昊团队建立一种可编程染色体倒位的新方法

基因组倒位（inversion）是一类重要的结构变异，与多种遗传疾病和癌症的发生密切相关。然而，以往的基因编辑工具难以在不引入双链断裂（DSB）的前提下实现大规模的基因组倒位。而 DSB 的引入通常会产生随机的插入和缺失，并伴随多种随机的结构变异，因此如何实现大片段基因组的精准倒位仍是一个重大挑战。

2025年10月8日，武汉大学医学研究院、免疫与代谢前沿科学中心、泰康生命医学中心、武汉大学中南医院、高致病性病毒与生物安全全国重点实验室殷昊团队在Nature Chemical Biology发表了题为 “Efficient and precise inversion of genomic DNA from large to chromosomal scale” 的研究论文。为了实现精准高效的大片段倒位编辑，研究者开发出一种新的倒位编辑方法PIE（Prime-editing-based Inversion with Enhanced Performance）。PIE 在人和小鼠的多种细胞系中均展现出高效精准的编辑能力，最大可实现100 Mb的倒位。与现有的倒位编辑方法相比，PIE展现出高效精准且副产物低的特征。此外，PIE在疾病相关的倒位上展现出高效的编辑效率，利用PIE工具可以工程化改造人类染色体的结构。开发的PIE提供了一种高效且精准的染色体结构编辑工具，为系统构建倒位相关人类疾病模型提供了新途径。该方法有助于深入研究结构变异如何影响基因调控、基因组稳定性和细胞功能。

基因组中存在多种类型的突变，包括替换、插入、缺失等小范围变异，以及删除、复制、倒位、易位等结构变异。其中，倒位不改变基因拷贝数，却可能影响基因表达与基因组稳定性，在多种疾病与进化过程中具有重要作用。例如，F8 基因的反向同源序列重组导致倒位，引发A型血友病；EMD 基因倒位引起肌营养不良症；EML4 与ALK 基因倒位形成融合基因 EML4-ALK，引发肺癌；CBFB 与 MYH11 基因倒位产生融合基因，引起急性髓系白血病。然而，现有的倒位编辑工具应用仍然存在很大限制。

研究团队通过不同pegRNA配对设计开发出PIEv1、PIEv2和PIEv3三个版本，其中PIEv3通过两对 pegRNA 协同作用实现目标区域的精准倒位，同时精准删除两端连接处（junction）的小部分区域。在PIEv3的基础上通过串联pegRNA表达的方式优化出PIEv3b。在 HEK293T 细胞中，PIEv3b 在 1~40 Mb倒位上的平均编辑效率达18.8%，并且目的倒位的两端接口（junction）纯度超过95%。研究团队还在K562、HAP1、Huh-7、HeLa、hES 以及小鼠N2a、mES、haES等多种细胞系中验证了系统的普适性。其中，在K562细胞中1 Mb倒位上的效率高达 61.7%，在mES中50 Mb倒位上的效率达14.2%。

图1 PIEv3示意图

研究者将PIEv3b与目前能够实现倒位编辑的策略进行了比较。与最优的整合酶系统相比，PIEv3b在不同长度的倒位上平均编辑效率提高了7-20倍。与DSB依赖的方法学相比，PIEv3b 表现出显著更高的精准倒位效率及极低的副产物编辑率。

尽管PIEv3b能够实现高效精准的倒位编辑，但仍伴随有小片段的精准删除，无法做到完全无缝倒位。研究者进一步通过使用一对pegRNA设计使得flap序列与基因组互补的方法，开发出两种无缝倒位编辑版本PIES，能够实现Mb级别的无缝倒位编辑，但其效率相比于PIEv3b显著降低。

研究者还在多个倒位疾病位点开展了编辑实验，包括血友病 A 相关的 INV1 和 INV22，以及急性髓系白血病（AML）相关的 INV16，PIEv3b 均实现了高效倒位编辑。此外，研究者通过对 2 号和 20 号染色体上 100 Mb 和 30 Mb 区域的跨着丝粒倒位，成功将人的染色体从中心着丝粒型结构转变为端着丝粒型结构。

PIE可高效、精准地实现从数千碱基到染色体尺度的基因组序列倒位，为结构变异的可控构建提供了有力工具。该方法还可应用于生物技术和医学领域，包括致病性倒位突变的校正、定制结构的人工染色体构建，以及染色体重排在进化中的机制探索。

武汉大学研究生张傲、孙祥堃、吴莹和高盼为共同第一作者。武汉大学殷昊教授为通讯作者。本研究获得武汉大学张楹教授和武汉大学医学研究院仪器设备共享中心的帮助。

https://www.nature.com/articles/s41589-025-02033-9

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