Nat Commun | 费腾/黄佳良团队系统解析非编码基因组功能扰动策略

非编码基因组占人类基因组的 98% 以上，其中包含大量顺式调控元件（ cis -regulatory element ，CRE）和功能性非编码 RNA （ ncRNA ），在 多种生理病理 过程中发挥 重要 作用。然而，如何在非编码区实现高效的功能 扰动（ perturbation ） ，一直是基因组学领域的核心挑战之一。 目前 ， 多种基于 CRISPR 的 基因组编辑工具 可被用来靶向扰动非编码基因组元件，比如： 单个 gRNA （ sgRNA ）介导的 CRISPR 敲除（ CRISPR KO ）、 CRISPR 干扰（ CRISPRi ），以及 成对 gRNA （ pair ed- gRNA ， pgRNA ）介导的 dual-SpCas9 、 Big Papi 、 dual-enAsCas12a 局部 片段删除系统 等 。其中，利用 pgRNA 介导的 “ 双切割 + 片段删除 ” 策略，相比传统的 sgRNA 单位点编辑方法，更有可能产生强烈的功能表型。然而，目前尚缺乏对不同编辑工具在非编码基因组 功能扰动方面的 系统性 评价 ，也缺少针对 pgRNA 片段删除策略的 结果 预测模型， 导致 研究人员在选择 编辑 工具 时 缺乏可依据的参考指南 。

2026 年 8 月 11 日，东北大学生命科学与健康学院 费腾 教授团队与厦门大学生命科学学院 黄佳良 教授团队合作，在 Nature Communications 杂志在线发表了题为 Towards Efficient Perturbation for the Noncoding Genome 的研究论文。 该研究通过高通量 CRISPR 筛选实验，系统性地比较了五种代表性基因编辑工具在非编码基因组 功能扰动方面 的表现， 并开发了针对 dual-SpCas9 系统 进行 pgRNA 设计和编辑结果预测的深度学习模型 DeepDC ， 为 高效探究 非编码基因组 的功能元件提供了实用性的 工具指南 。

研究团队选取了五种典型的编辑工具进行基准测试，包括传统的 sgRNA 介导的 CRISPR KO 、 CRISPRi ，以及三种 pgRNA 介导的双切割片段删除系统（ dual-SpCas9 、 Big Papi 和 dual-enAsCas12a ）。通过构建靶向 69 个已知功能 CREs 的 sgRNA/pgRNA 文库（总计 13,167 个 gRNA-effector 组合），并在 A549 和 K562 细胞中进行大规模 CRISPR 筛选， 以 系统评估不同工具的性能 表 现 。结果表明， dual-SpCas9 系统在 功能扰动 CRE （如 增强子 ） 方面表现最优。

除 CRE 外，长链非编码 RNA （ lncRNA ） 基因 也是非编码基因组的重要组成部分 。 在针对约 200 个在肺癌中高表达的 lncRNA 的高通量筛选中（ 16,840 个 gRNA-effector 组合）， 研究团队进一步验证了 dual-SpCas9 系统在 功能扰动 非编码 RNA 基因方面的优势 。同时发现， DNA 水平 的扰动（如删除、切割或转录抑制） 与 RNA 水平敲低（ 如 RNAi ） 因存在不同的技术局限会 在特定情况下 导致扰动 结果 差异 。 提示在研究非编码 RNA 基因时，有必要结合 RNA 靶向工具来区分转录本依赖与非依赖的功能。

为进一步优化 dual-SpCas9 系统的应用，研究团队整合了来自 9 个已发表研究和本研究的 154,457 个 pgRNA 基因编辑数据，开发了基于 XGBoost 的深度学习模型 DeepDC 。该模型整合了靶片段长度、 GC 含量、 sgRNA 效率指数、表观遗传信号以及 HyenaDNA 提取的片段水平特征等多维度信息。 DeepDC 可辅助研究人员进行 dual-SpCas9 系统的最优 pgRNA 组合设计，并定量预测 DNA 片段删除的编辑结果。 研究团队在 β- 珠蛋白基因座增强子（ HS1 和 HS2 ）上对 DeepDC 的 功能和 预测结果进行了 独立的 实验验证。 DeepDC 已上线免费网络服务器（ https://deepdc.huanglabxmu.com/ ） ，并 同时在 GitHub 上 提供 了 独立版本供研究人员使用。

综上， 该研究通过对 CRISPR 基因编辑工具 开展系统性 基准比较，回答了 “ 在非编码基因组研究中该优先选择哪种编辑工具 ” 这一重要问题，明确了 dual-SpCas9 编辑系统的优先地位，也揭示了 DNA 靶向编辑工具的局限性。同时 开发 了 辅助 dual-SpCas9 系统 pgRNA 设计 的 深度学习模型 DeepDC ，为非编码基因组功能研究提供了实用资源。

东北大学生命科学与健康学院费腾教授和厦门大学生命科学学院黄佳良教授为本文 共同 通讯作者，东北大学生命科学与健康学院博士生张晗和厦门大学 健康医疗大数据国家研究院 博士生骆世杰为共同第一作者。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-76567-4

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