基因组大片段的精准操控是作物育种和合成生物学领域的关键需求。现有工具面临显著局限：CRISPR-Cas系统依赖DNA双链断裂（DSB），大片段重排效率低且易产生副产物；经典重组酶识别序列固定、无法重新编程。2024年，bridge RNA（bRNA）引导的IS110家族重组酶系统为实现可编程、无DSB、无缝接头的大片段编辑开辟了新路径，但在植物中尚未验证。

 

    近日，中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞团队在Trends in Biotechnology期刊在线发表了题为Engineering RNA-guided bridge recombinases for precise large-scale genome editing的研究论文。研究团队首次将bridge RNA引导的重组酶系统应用于植物，通过对bRNA和重组酶的协同工程化改造，在水稻中实现了高达315 kb片段的精准删除和倒位，并在哺乳动物细胞中通过单个AAV载体递送实现了大片段基因组重排，为跨物种大片段精准基因组编辑提供了全新平台。

 

    通过测试，研究团队选定了ISCro4重组酶系统作为改造底盘。团队首先结合结构分析对bRNA骨架进行了系统性改造，构建了一系列bRNA变体，将编辑效率较野生型最高提升了15.3倍。在bRNA优化的基础上，团队利用之前开发的AI辅助定向进化平台AiCE对ISCro4重组酶进行深度改造，在三个结构域中设计了78个单点突变，筛选鉴定出E220A和D164E两个关键突变。双突变体Rm7（E220A/D164E）与bRNA最优变体bRNA_mT6D16的组合实现了29.8倍的总体活性提升，在水稻原生质体中达到9.4%的编辑效率。

 

    在再生水稻植株中，优化后的系统成功介导了27-315 kb片段的精准删除和倒位，稳定编辑效率最高达23.9%。研究团队通过315 kb基因组大片段倒位使OsHIS1表达量上调15.1倍，突变体植株在除草剂处理下表现出增强的抗性表型。研究团队还利用ISCro4的紧凑尺寸（<350个氨基酸），将其连同bRNA表达框包装至单个腺相关病毒（AAV）载体中，在哺乳动物细胞中实现了31 kb倒位和30 kb删除。

 

    该研究首次在植物中建立了bridge RNA引导的重组酶编辑系统，通过bRNA与重组酶的协同工程化实现了编辑效率的大幅提升，为实现可编程、无DSB、无缝接头的大片段基因组编辑提供了全新工具，有望显著加速作物精准育种和合成生物学研究进程。

 

    该研究成果于2026年8月20日在线发表于Trends in Biotechnology杂志（DOI:10.1016/j.tibtech.2026.07.025）。遗传发育所高彩霞团队的博士生高睿与博士后魏京京为本论文共同第一作者，高彩霞研究员为通讯作者。高彩霞团队的博士后孙超、高级工程师刘金星、博士生李振宇、李运嘉、杨可成以及北京齐禾生科生物科技有限公司高强对本研究作出了重要贡献。复旦大学王永明教授为本研究提供了重要帮助。该研究得到了国家重点研发计划、京津冀自然科学基金合作项目以及新基石科学基金会等项目资助。

 

基于桥接RNA引导重组酶技术的可编程大片段基因组编辑方法及其工程化应用