【更高效、广适、精准基因编辑2.0升级版赋予更强个性化修改能力】中国科学报:近日,中国科学院遗传与发育生物学研究所(以下简称遗传发育所)高彩霞研究组与合作者,在植物中成功建立了一种更高效、广适的新型基因组引导编辑系统——增强型植物引导编辑器(ePPE),有助进一步提高基因组编辑技术在内源基因上进行精准编辑的效率。研究人员还利用该系统创制了抗除草剂的水稻新材料。相关结果3月24日在线发表于《自然—生物技术》。

“这项工作论证充分且十分有趣。”一位审稿人写道,“引导编辑提供了对基因组进行定制化更改的能力,克服了碱基编辑器有限的替代能力。作者描述的引导编辑器可在植物基因组上将引导编辑效率提高数倍。”

“2.0时代”的引导编辑

在农业领域,基因组编辑技术可以更方便、快捷、精准地进行作物育种和改良。通过基因组编辑可以不添加任何外源性的基因,实现对基因组自身序列的修改,大大节省了时间和工作量。

事实上,基因组编辑技术从2012年诞生至今,经过10年的发展已经不仅仅是“一把剪刀”的概念。论文通讯作者、遗传发育所研究员高彩霞在接受《中国科学报》采访时介绍,进化至“2.0时代”的碱基编辑和引导编辑还可以是一块“橡皮”或一支“铅笔”。

“如果一个序列有点多,你可以把它剪掉;如果组成DNA的四个字母ATCG有一个错了,你可以像用一个‘橡皮擦’把它擦掉,然后用‘铅笔’写入正确字母,而‘铅笔’、‘橡皮擦’是不留在细胞里的。”她比喻说。

更具体地说,引导编辑系统(PE)是一种能够在基因组的靶位点处实现任意碱基替换和小片段精准删除、插入的新型基因组编辑工具,也是基因组编辑领域的重大变革。

2020年,高彩霞团队率先在水稻和小麦中成功建立并优化了适用于植物的引导编辑器(PPE),开发了植物引导编辑向导RNA(pegRNA)设计网站——PlantPegDesigner,极大提高了引导编辑效率并简化了植物pegRNA的设计流程。他们还通过全基因组重测序发现PPE系统在全基因组水平上具有很高的特异性。这些研究为引导编辑系统在植物领域的应用奠定了良好的基础。

尽管如此,引导编辑系统目前在植物中的编辑效率仍不够高,且有很大的靶点依赖性。“也就是说在一些内源靶位点上,现有的引导编辑系统效率仍然很低,尤其是针对一些较长片段的删除、插入这种复杂的编辑类型。”论文第一作者、高彩霞课题组博士生刘怡静向《中国科学报》解释。

这些短板严重限制了引导编辑在植物中的广泛应用。因此,如何优化引导编辑系统突破现有的限制,提升引导编辑技术的高效性、广适性是一个研究重点。

寻找更高效“突破点”

万事开头难。如何去优化引导编辑系统,实现更高效、广适的编辑呢?这是合作团队一直思考的问题。为此,他们先后构思尝试了多种不同策略,最终通过对蛋白的理性设计获得了能够稳定提高效率的ePPE的版本。

不同于大多数已报道的通过优化pegRNA提高引导编辑效率的思路,新型引导编辑系统ePPE侧重于对引导编辑系统的蛋白组分进行改造。通过对不同策略构建的多种引导编辑系统进行筛选,研究人员发现删除引导编辑系统中逆转录酶M-MLV RT(依赖RNA的DNA聚合酶)的RNA核酸酶H(RNase H)结构域或在M-MLV RT 的N端融合病毒核衣壳蛋白(NC),可分别将PPE的编辑效率提高2.0倍和3.2倍。

究其原因,他们推测,RNase H结构域的去除稳定了sgRNA-DNA和nCas9-RT-pegRNA复合体中的RNA-DNA异源双链结构,NC蛋白通过其核酸退火活性在逆转录过程中辅助MLV-RT发挥功能。

研究人员进一步地通过整合以上两种优化策略,开发出了升级版新型引导编辑器ePPE。相比于PPE,ePPE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编辑效率平均可提高5.8倍,且不增加脱靶及副产物的发生。

“ePPE作为一个更高效、广适的引导编辑器,可以算作是一支流畅合格的‘铅笔’,一块干净好用的‘橡皮’了。”刘怡静表示。

对此,另一位审稿人也表示:“这项研究在植物基因组编辑领域做出了及时而重要的贡献。”

种质创新“小试牛刀”

除了高效和广适性,合作团队通过进一步研究发现,当把新型引导编辑器ePPE与该课题组此前报道的dual-pegRNA策略和哈佛大学、博德研究所教授刘如谦实验室研发的epegRNA策略相结合时,可进一步提高引导编辑系统在内源基因上进行精准编辑的效率。

这些特性在很大程度上拓展了其应用范围。基于此,研究人员利用ePPE系统成功创制了对两种除草剂(甲咪唑烟酸和烟嘧磺隆)具备抗性的水稻新材料。

刘怡静介绍,乙酰乳酸核酶(OsALS)基因是支链氨基酸合成途径中的第一个酶,诸如磺酰脲类、咪唑啉酮、三唑嘧啶等除草剂都是该酶的抑制剂,通过抑制支链氨基酸的合成导致植物死亡,从而除去很多杂草。同时,这类除草剂对哺乳动物毒性非常小,应用价值很高。

“通过在ALS基因的特定位置上产生单个氨基酸的突变,可以获得抗性酶,赋予植物这一类除草剂抗性。”她表示,研究团队选择了Trp548Met突变作为目标靶点,该位点突变虽然可通过传统诱变的方法获得,但耗时耗力,需要巨大的工作量。而使用基因编辑方法不存在像诱变产生的其他有害突变,没有脱靶,也无需回交,突变体植株可快速投入应用生产。

研究人员在这一位点将编码色氨酸的“TGG”密码子修改为编码甲硫氨酸的密码子“ATG”,通过“铅笔”+“橡皮擦”,同时实现“T到A”和“G到T”的突变。据介绍,这是目前引导编辑外的其他编辑工具所不能实现的。最终他们以高出原始引导编辑器PPE 5.6倍的效率成功获得了抗除草剂的水稻新材料,并且在甲咪唑烟酸和烟嘧磺隆两种除草剂的筛选下有非常好的抗性表型。

“我国虽然在动植物基因编辑技术研发和应用上居于世界前列,但原始专利严重缺位,核心专利及底层技术大多被美国为首的西方国家垄断,产业安全面临严重挑战,加快推动基因组编辑基础研究是国家发展和战略布局的迫切需求。”论文共同通讯作者、遗传发育所研究员曹晓风院士在接受《中国科学报》采访时曾说。

而新系统的开发有望推动引导编辑在农业育种、作物改良等方面的应用。“我们也期待有更加流畅的‘彩笔’不仅可以实现更长片段的精准改写,也可以精致的绘制改写基因组上的修饰,画出‘彩色’的基因组信息。”刘怡静说。

【北京冬奥会开幕式人员进场撤场安全有序,集散之间 凸显高效】2月4日,北京2022年冬奥会在国家体育场盛大开幕,全世界目光再次聚焦北京这座“双奥之城”。

  开幕式亮点纷呈,观众热评每一秒都有惊喜。和亮点纷呈的开幕式一起被刷屏的,是堪称完美的人员集散工作。来自国际奥委会、国际单项体育组织、现场观众等30多类客户群4万余人齐聚国家体育场,并按“隔一坐一”的防疫安排现场观看。有序集结、快速疏散,组织之严密,衔接之顺畅,细节之周到,令人赞叹。

  “集散过程中所展现出的强大组织力,正是中国制度优势的生动写照。”北京冬奥组委副秘书长徐志军说。

  巴赫为冬奥交通保障团队点赞

  “Thank you very much,Cheng Hao and Guo Jian.(非常感谢程昊和郭健。)”这是国际奥委会主席巴赫亲笔书写的感谢辞。

  这句话写于开幕式当晚。巴赫感谢的两位工作人员来自首汽T3团队,分别为运行副经理程昊和驾驶员郭健。“巴赫主席的这句感谢辞,我们一定会珍藏好。这不仅是对我们两个人的感谢,也是对北京冬奥交通保障团队的点赞。”程昊说。

  开幕式集结运输距离之长是空前的:国家体育场距离张家口赛区冬奥村185公里,距最远的酒店210公里;

  这是国家体育场第一次在冬天举办大型文化活动,天冷风大,人员在室外可等候时间大为缩短,交通保障必须无缝衔接;

  这是本届冬奥会第一次按照闭环内外进行交通流线管理,受新冠肺炎疫情影响,需要分别规划闭环内和闭环外人员流线两套方案……

  难题一个接着一个,汇集到冬奥交通保障团队面前。北京市委专门成立开闭幕式服务保障指挥部,多次召开专题会、调度会,审定各项工作方案,研究解决重大问题。

  精心设计、周密部署是做好开幕式人员集散工作的基础。围绕“防疫、防寒、安全、有序”8字目标,北京市冬奥交通保障指挥调度中心制定了北京2022年冬奥会开幕式集散交通保障方案。“方案不能只写在纸上,必须记在心里。”徐志军表示,每个成员都要对自己的职责有更“立体”的认识。

2021年12月22日,组织800余人开展张家口赛区至国家体育场的集散演练;

  万人运输,千车组织,秒级调度。最终,这场规模和难度空前的人员集散活动取得了圆满成功。

  所有涉奥车辆实现精准立体监测

  闭环外观众涉及23个远端集结点、3个近端落客点;闭环内观众涉及33个集结点、5个近端落客点。车辆、发车时间、任务分散,运输距离长,如何做到及时、准确地掌握运输情况?在位于西三环六里桥附近的北京市交通运行监测调度中心指挥室内,记者看到,北京冬奥会指挥调度平台电子地图上一个个红点缓缓移动,每个红点都代表正在执行任务的冬奥保障车辆。

  原来,6000余辆涉奥保障车辆已经全部安装智能指挥调度终端,在车辆行进过程中,可以实现精准定位、精准指挥、行驶状况实时监测,途经道路视频精准伴随,成为冬奥交通指挥调度人员的“千里眼”。

  “通过北京冬奥会指挥调度平台,所有车辆都实现了从出发地到目的地的全程立体化精准监测,只要一上路执行任务,就进入我们的监测范围,中途如果异常停留,平台就会自动报警提示。”北京市政府副秘书长程建华介绍,指挥调度平台整合接入了北京赛区、延庆赛区、张家口赛区的主要竞赛场馆、驻地、冬奥专用道沿线以及机场、高铁站等相关视频数据资源,实现车辆沿途视频伴随。

  为保障涉奥车辆通行顺畅,北京市在服务于冬奥会的主要道路上开辟奥运专用车道。如何科学合理设置奥运车道,同时尽量减少对社会交通的影响?“不断优化路网规划,先后推出了3个版本,既为冬奥会提供更精准的服务,又兼顾社会交通的顺畅。”北京市交管局设施处标志标线科科长王喆介绍。

  “北京冬奥会是家门口的大事、喜事,离不开我们每个人的配合支持。”家住北京亚运村附近的齐先生说,我们要主动遵守礼让规则,确保冬奥交通平稳有序。

  公铁联运无缝衔接展现高效率

  据悉,开幕式当天集结工作共启用了两列高铁,时间间隔约20分钟。当日17时许,京张高铁太子城站站台上,25辆大巴车一字排开,车门逐一与高铁车门对齐。“第一批运动员从张家口冬奥村乘坐大巴车出发,抵达太子城站,车辆迅速对应高铁车厢停好,一节高铁车厢对应两辆大巴车。站台工作人员组织运动员下巴士、上高铁,无缝衔接。”北京冬奥交通指挥中心张家口分中心负责人韩立强说。

  北京冬奥组委交通部保障处副处长韩勇表示,采用这种高铁和公路结合的公铁联运方式,在奥运历史上是第一次。这是在疫情防控状态下进行的一次全过程、全闭环的运输,在冬奥历史上没有过。

  乘坐这两趟列车的运动员纷纷为安全、快捷的中国高铁点赞。亲身参与2008年北京夏季奥运会和2022年北京冬季奥运会服务保障工作的高铁司机李东晓感受更深:“14年间,我驾驶的列车从‘和谐号’变成了‘复兴号’,亲历了中国高铁从无到有、从追赶到领跑的历史性变化,也见证了‘双奥之城’北京的繁荣发展。”(人民日报)

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2021年12月22日,组织800余人开展张家口赛区至国家体育场的集散演练;

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