天津大学：大尺度人类基因组DNA合成和跨物种转移新技术取得突破

中国教育报-中国教育新闻网讯 （通讯员 赵晖 记者 陈欣然）近日，合成生物技术全国重点实验室、天津大学合成生物与生物制造学院元英进院士团队实现大尺度（兆碱基Mb)人类DNA的精准合成组装与跨物种递送，研究成果于7月10日在《自然—方法》刊发，论文名为《从头组装兆碱基尺度人类基因组DNA并递送至小鼠早期胚胎》。该成果是人类基因组合成和转移技术的重要进展，对合成人类基因组具有重要意义。

自21世纪初“人类基因组计划”完成人类染色体测序以来，研究人员便开始追求“从头书写”基因组的能力。基因组合成有助于揭示人类基因组的DNA序列与功能之间的因果关系，从利用测序技术“读取”遗传信息，到主动“编写”生命密码，有望在生物医药、人类遗传性疾病的治疗等领域开辟变革性的应用前景。基因组合成对保障人类健康、促进经济发展和维护国家安全具有战略意义，是大国重点攻关领域。中国在基因组合成领域也进行了超前布局，2015年天津大学元英进团队成功完成了酿酒酵母5号和10号两条染色体的化学合成，开发了高效的染色体缺陷靶点定位和精准修复技术，相关研究成果于2017年发表在《科学》期刊后，就致力于突破人类基因组合成的关键技术。

人类基因组的从头设计与合成面临两大核心技术瓶颈：首先，人类基因组中超过50%的区域由高度复杂的重复序列构成，其精确合成与准确组装存在显著技术难题；其次，超大片段DNA的高效跨物种转移尚未突破，这成为合成基因组功能验证的关键技术障碍。这些技术瓶颈极大限制了合成基因组学在高等生物中的应用与发展。元英进团队最新的研究成果在这两个关键方面均取得了突破性进展。

该研究创新性地建立了名为SynNICE的技术体系：在酿酒酵母中实现兆碱基且高度重复人类基因组序列的精准从头组装；开发出“酵母核载体”策略，通过发展酵母细胞核体外提取技术，既有效避免了核内染色体DNA的降解，又完整地保留了染色体的高级结构特征；成功实现了Mb级人类基因组DNA向哺乳动物早期胚胎的高效递送。基于这一技术体系平台，研究人员在小鼠早期胚胎模型中成功捕捉到从头DNA甲基化(de novo DNA methylation)的建立的模式，证实从头建立的表观遗传修饰对调控合成基因组基因转录的关键作用。

该研究针对人类Y染色体关键功能区——无精子症因子a（AZFa），该区段的缺失会导致最严重的男性不育，通过手术获得精子的概率几乎为零。研究人员提出“组合式层级组装策略”：利用酵母同源重组，通过三步逐级拼接方案，成功实现了这一复杂序列（重复序列占69.38%）在酿酒酵母中的高效组装。团队突破性地开发完整酵母细胞核分离技术，能够提取直径仅1微米的细胞核，不仅确保了核内合成染色体不被降解，更维持了其染色质高级结构特征，利用该方法提出的酵母细胞核可冷冻保存6个月以上。研究团队通过显微注射技术，将合成基因组高效递送至具有全能性分化潜能的小鼠早期胚胎，首次观察到合成基因组在早期胚胎四细胞阶段启动转录的现象。

这项研究在国际上实现了Mb尺度人类基因组的从头合成组装、跨物种转移与功能重塑。元英进团队研发的SynNICE方法具有双重价值：一方面，该技术首次揭示了合成基因组在进入受体细胞后被细胞环境识别和重塑的过程，为研究表观遗传修饰的从头建立提供了全新的技术手段；另一方面，该研究为染色体异常相关疾病的治疗开辟了新思路和新技术，未来有望在此基础上发展出针对染色体疾病的创新性治疗方案，并推动其向临床应用转化，从而为广大患者带来福祉。