2024年6月26日，武汉大学医学研究院、中南医院医学研究院、教育部免疫与代谢前沿科学中心、泰康生命医学中心殷昊教授课题组在《细胞》期刊发表题为"Amplification editing enables efficient and precise duplication of DNA from short sequence to megabase and chromosomal scale"的研究性论文。该论文的第一作者为武汉大学医学研究院研究生张瑞文、何周、史亚晶、孙祥堃、陈昕宇和王国权，殷昊为独立通讯作者。武汉大学为论文的第一署名单位。

基因扩增（基因重复）是指在生物体内复制DNA片段，形成重复序列。扩增范围从几个碱基对到染色体大部分区域。基因扩增是一种染色体的结构变异，在进化、遗传性疾病和癌症的发生发展中扮演重要角色。现有的基因编辑工具能做到单个位点的精准编辑，但是缺乏高效精确的基因组结构编辑工具。本项工作研发了一种名为"Amplification Editing（AE）"的方法，以可编程的方式精确高效地复制从小片段到染色体级别的基因组序列，是一种高效精确的基因组结构编辑工具，将精准复制的范围从单个基因位点扩展到染色体层面。

AE进行基因扩增的模拟图

首先，课题组在11个细胞系的多个位点进行了验证。在AE复制长度和效率方面，当复制的DNA长度为20bp至8Kb时，AE可进行多次复制，形成串联重复序列。当复制长度为1 Mb时，AE的编辑效率最高达73.0%；复制长度为100Mb（接近人类染色体的平均长度）时，效率达到3.4%。通过原位荧光杂交、核型分析、全基因组测序等实验，可以直接观察到染色体区域的复制。在AE编辑的精准度方面，连接处的二代测序和全长的三代测序数据显示，indels均低于1%。

其次，课题组利用AE精准修正了绿色荧光蛋白序列和实现miRNA的内源性过表达。同时，课题组在髓性白血病细胞系K562中建立了α地中海贫血模型，并测试了AE的效果，实现了HBA基因的mRNA水平的提高和 α/γ-珠蛋白比例的上升。这些结果表明AE能够恢复基因表达、扩增miRNA并增加模型细胞系中的α-珠蛋白的表达。

接下来，AE在人源和鼠源干细胞的多个位点均实现了高效精准的短片段和Mb级别编辑，模拟了染色体微重复疾病的基因型，并使用全基因组测序验证了编辑的精准性。这表明AE能够精准构建超大片段复制相关的疾病模型。

最后，该研究对AE的机制进行了初步探究。在被抑制细胞周期的RPE-1细胞中，AE的效率降低。在小鼠原代神经元中，AE只可实现短片段的复制。这说明AE在Mb级别的复制可能依赖于细胞周期。

综上所述，该研究开发了一种名为"Amplification Editing（AE）"的基因组编辑工具，可实现从短片段到染色体长度的精准复制。该工具的开发可促进基因组疾病模型的建立，推动基因进化和癌症机制相关的研究。

左至右：张瑞文，王国权，孙祥堃，殷昊，何周，史亚晶，陈昕宇

该项工作得到了国家自然科学基金委和科技部重点研发计划的资助，且获得了武汉大学医学研究院的仪器设备共享中心和武汉大学中南医院的支持。殷昊课题组长期专注于基因编辑工具的研发和医学应用，取得了系列原创性成果。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.05.056