重大突破！天津大学团队实现大尺度人类 DNA 精准合成组装与跨物种递送

　　近日，从天津大学传来振奋人心的消息：合成生物技术全国重点实验室、该校合成生物与生物制造学院元英进院士团队成功实现大尺度（兆碱基Mb）人类DNA的精准合成组装与跨物种递送。7月10日，相关研究成果以“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”（De novo Assembly and Delivery of Synthetic Megabase-Scale Human DNA into Mouse Early Embryos）为题，在国际顶尖期刊《自然-方法》（Nature Methods）上刊发。这一成果堪称人类基因组合成和转移技术进程中的关键里程碑，为合成人类基因组研究开拓了全新路径。

　　自21世纪初“人类基因组计划”成功完成人类染色体测序，科研人员便踏上“从头书写”基因组的探索征程。基因组合成研究意义非凡，它能够助力揭示人类基因组DNA序列与功能间的因果联系，从单纯“读取”遗传信息，迈向主动“编写”生命密码，有望在生物医药、人类遗传性疾病治疗等领域引发变革，对保障人类健康、推动经济发展、维护国家安全具有战略性价值，是各国科研力量竞相角逐的重点领域。早在2015年，天津大学元英进团队就成功完成酿酒酵母5号和10号两条染色体的化学合成，并开发出高效的染色体缺陷靶点定位和精准修复技术，相关成果于2017年发表在《科学》期刊，此后团队便全力攻坚人类基因组合成关键技术。

　　不过，人类基因组的从头设计与合成犹如攀登险峰，横亘着两大核心技术瓶颈。其一，人类基因组超50%的区域由高度复杂的重复序列构成，实现其精确合成与准确组装困难重重；其二，超大片段DNA的高效跨物种转移技术尚未取得实质性突破，严重阻碍了合成基因组功能验证的步伐。这些瓶颈极大束缚了合成基因组学在高等生物研究中的应用与拓展。此次元英进院士团队带来的最新研究成果，在这两大关键难题上均实现重大突破。

　　研究团队创新性构建了名为SynNICE的技术体系，宛如为人类基因组合成与转移打造了一把“万能钥匙”。在酿酒酵母中，该体系首次实现兆碱基级且富含高度重复序列的人类基因组序列的精准从头组装；创造性开发出“酵母核载体”策略，通过优化酵母细胞核体外提取技术，既有效防止核内染色体DNA降解，又完整保留染色体高级结构特征；更为关键的是，成功将Mb级人类基因组DNA高效递送至哺乳动物早期胚胎。依托这一技术体系，研究人员以小鼠早期胚胎为模型，成功捕捉到从头DNA甲基化（de novo DNA methylation）建立的模式，证实从头建立的表观遗传修饰在调控合成基因组基因转录过程中发挥着关键作用。

　　以人类Y染色体关键功能区——无精子症因子a（AZFa）为例，该区域一旦缺失，会引发最为严重的男性不育，患者通过手术获取精子的可能性近乎为零。研究人员巧妙提出“组合式层级组装策略”，借助酵母同源重组机制，采用三步逐级拼接方案，成功攻克难关，实现这一复杂序列（重复序列占比高达69.38%）在酿酒酵母中的高效组装。团队还突破性开发出完整酵母细胞核分离技术，能够精准提取直径仅1微米的细胞核，不仅确保核内合成染色体完整无缺，更维持染色质高级结构特征，利用该技术提取的酵母细胞核可冷冻保存6个月以上。之后，研究团队运用显微注射技术，将合成基因组高效送入具有全能性分化潜能的小鼠早期胚胎，并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奇妙现象。

　　北京大学教授、新基石研究员汤富酬对这项研究给予高度评价，认为这一合成生物学领域的重大突破，为人类疾病治疗勾勒出广阔应用前景。以基因修饰猪的器官异种移植为例，当下相关研究已临近临床应用阶段，但现阶段猪器官移植给人类后，其功能通常仅能维持两三年，仅为患者等待人类供体器官争取一个窗口期，患者长期生存最终仍依赖人类供体器官移植。而元英进院士团队开发的SynNICE技术，为基因修饰猪基因组的大规模改造提供创新技术方案。未来，有望运用该技术将Mb尺度人类基因组区域精准替换猪的对应基因，逐步降低猪器官移植给人类时的异种免疫排斥强度，直至接近人类种内器官移植水平。如此一来，猪供体器官移植给人类后的功能维持时间，有望从两三年大幅延长至数十年，彻底攻克人类器官移植供体短缺这一世界性、世纪性难题。

　　合成基因组学在深度理解基因组功能与调控机制（建物致知），以及重塑细胞和个体功能与表型（建物致用）方面，蕴含着不可估量的价值。过往，哺乳动物基因组因尺寸庞大、高度重复序列多，导致精准组装困难重重；跨物种递送效率极低，将Mb以上人工合成大片段DNA完整转移至哺乳动物细胞近乎不可能；宿主细胞如何重塑未携带表观修饰的外源Mb级DNA，包括表观状态建立与转录调控机制，科学界认知近乎空白，缺乏理性设计原则。此次天津大学元英进教授团队开发的SynNICE技术，为冲破这些困境提供了有效路径。该技术先在酵母中逐级组装合成DNA片段，成功合成长达1.14Mb且重复序列含量高的人源AZFa区域DNA；接着创新性利用酵母细胞核作为天然载体，将其完整递送至小鼠卵母细胞，实现合成DNA向哺乳动物细胞的转移；最后借助该模型结合多组学分析，捕捉到胚胎早期外源DNA的时序性表观遗传修饰重塑过程，如DNA甲基化的从头合成，且这一过程优先发生在重复序列上，该过程独立于H3K9me3修饰，并在4-细胞期调控关键基因的转录激活。

　　这是全球首次实现将人工合成的大片段DNA高效转移至哺乳动物胚胎的研究，对于深入理解合成染色体的调控与表达机制，以及未来构建基因组写入技术意义深远。鉴于酵母核载体系统不仅能稳定冻存，还具备承载更大DNA片段的潜力，该技术平台具备良好的可扩展性，有望进一步推动哺乳动物人工染色体合成研究迈向新高度，为生命科学基础研究及临床应用转化注入强劲动力，开启合成生物学发展的崭新篇章。