近日，江西農業大學豬遺傳改良與種質創新全國重點實驗室黃路生院士團隊在國際知名學術期刊《Trends in Biotechnology》（Cell Press 旗下，5年影響因子16.6）發表了題為“Highly efficient prime editors for mammalian genome editing based on porcine retrovirus reverse transcriptase”的重要研究成果。該研究基于豬基因組中的內源性逆轉錄酶元件，成功開發出一套高效、精準、安全、多物種適用的新型先導編輯（Prime editing）系統—pvPE。我校黃路生院士、幸宇云研究員與劉為偉博士后（兼第一作者）為通訊作者，博士研究生段文鑫為共同第一作者。

      研究背景：

先導編輯（Prime editing, PE）是近年來由基因編輯領域國際知名科學家David Liu團隊率先開發、并獲得迅速發展的新型基因組編輯技術，可以在不引起DNA雙鏈斷裂的情況下實現精準的插入、替換和缺失等多種編輯類型，被譽為“萬能型”基因編輯工具。然而，該技術目前僅在HEK293T等少數細胞系中展示出較高的效率，在豬等大型農業動物中的編輯效率比較低下，成為限制其廣泛應用的重要因素。逆轉錄酶（RT）作為PE系統的核心組分，其活性是影響編輯效率的關鍵。目前主流PE系統采用的逆轉錄酶主要來源于鼠白血病病毒（MMLV），國際上雖有不少課題組嘗試挖掘新的RT用于PE系統，但效率始終未能超越基于工程化的MMLV-RT。因此，開發高活性的全新RT成為推動PE技術突破，尤其是將其應用于家豬等大動物基因編輯的迫切需求。

豬內源性逆轉錄病毒（PERV）序列是進化過程中整合到豬基因組中的病毒基因組遺跡，在豬體內已存在數百萬年?，F有研究表明，PERV具有多個亞型，在不同個體及同一個體不同器官中的拷貝數均可能存在差異，體現出豐富的基因組多樣性，為新型RT的開發提供了獨特的資源。

主要研究內容：

研究團隊首先對全球不同豬種PERV-RT序列進行系統研究，篩選出86個變體，并利用熒光報告系統評估其活性，發現一條來自中國巴馬香豬的C型PERV-RT活性最強；由此構建的pvPE-V1編輯器，較David Liu第一代編輯器PE1的平均效率提升1.28倍。隨后，通過系統性篩選有益氨基酸突變位點、對PERV-RT重要功能元件進行結構優化以及融合有益功能模塊等手段，將pvPE-V1逐步升級為pvPE-V2、pvPE-V3和pvPE-V4。

高級版本的pvPE-V4與pvPE-V1相比，在人類HEK293T細胞、豬胎兒成纖維細胞（PFFs）、犬胎兒成纖維細胞（CFFs）和羊胎兒成纖維細胞（SFFs）中的編輯效率平均提升24.38-101.69倍；與國際上最新開發的基于鼠源RT的PE7系統相比，不僅編輯效率提高了47%，且副產物比例顯著更低。此外，該研究還首次發現小分子藥物諾考達唑（Nocodazole，Noc）可顯著提升PE效率，并通過轉錄組測序，揭示其可能通過調控細胞周期抑制錯配修復途徑發揮作用。

利用所創建的高效pvPE系統，針對人類阿爾茨海默病（AD）三大家族性致病突變 APPKM670/671NL、PSEN1M146L 和 TAUP301L ，在PFFs中實現了高效的多基因同步編輯，其中TAUP301L的編輯效率達95%，兩位點與三位點同步編輯的效率達45%。此外，以三位點同步編輯的PFFs為供體細胞開展體細胞核移植，成功獲得19頭存活的AD模型豬。10月齡時，該模型豬可檢測到AD兩大病理表型—β淀粉樣蛋白沉積和Tau蛋白磷酸化，這是國際上首次在豬模型中同時復現這兩大AD核心病理標志。同時，利用全基因組脫靶檢測技術，在模型豬中未檢測到脫靶事件，進一步凸顯pvPE系統的安全性。

研究意義：

Cas核酸酶與逆轉錄酶是PE技術的兩大核心元件。近年來，我國科研團隊在Cas核酸酶領域取得了一系列國際領先的成果，但在逆轉錄酶這一對編輯效率同樣重要的關鍵元件開發上研究較少，亟待突破。研究團隊創新性地從豬基因組中挖掘內源性逆轉錄酶元件，實現了對PE技術的重要升級與拓展。新開發的pvPE系統具有編輯效率更高、適用物種更廣、副產物率更低、安全性更好等突出優勢，在不同類別哺乳動物細胞生物學研究、動物疾病模型構建以及異種器官供體家豬制備等領域具有重要應用價值與廣闊前景。研究團隊研制的pvPE基因編輯系統已申請國內、國際外專利，專利號分別為：CN202410635868.2，PCT/CN2024/094408。