重大突破！天津大學團隊實現大尺度人類 DNA 精準合成組裝與跨物種遞送

　　近日，從天津大學傳來振奮人心的消息：合成生物技術全國重點實驗室、該校合成生物與生物制造學院元英進院士團隊成功實現大尺度（兆堿基Mb）人類DNA的精準合成組裝與跨物種遞送。7月10日，相關研究成果以“從頭組裝兆堿基尺度人類基因組DNA并遞送至小鼠早期胚胎”（De novo Assembly and Delivery of Synthetic Megabase-Scale Human DNA into Mouse Early Embryos）為題，在國際頂尖期刊《自然-方法》（Nature Methods）上刊發。這一成果堪稱人類基因組合成和轉移技術進程中的關鍵裡程碑，為合成人類基因組研究開拓了全新路徑。

　　自21世紀初“人類基因組計劃”成功完成人類染色體測序，科研人員便踏上“從頭書寫”基因組的探索征程。基因組合成研究意義非凡，它能夠助力揭示人類基因組DNA序列與功能間的因果聯系，從單純“讀取”遺傳信息，邁向主動“編寫”生命密碼，有望在生物醫藥、人類遺傳性疾病治療等領域引發變革，對保障人類健康、推動經濟發展、維護國家安全具有戰略性價值，是各國科研力量競相角逐的重點領域。早在2015年，天津大學元英進團隊就成功完成釀酒酵母5号和10号兩條染色體的化學合成，并開發出高效的染色體缺陷靶點定位和精準修複技術，相關成果于2017年發表在《科學》期刊，此後團隊便全力攻堅人類基因組合成關鍵技術。

　　不過，人類基因組的從頭設計與合成猶如攀登險峰，橫亘着兩大核心技術瓶頸。其一，人類基因組超50%的區域由高度複雜的重複序列構成，實現其精确合成與準确組裝困難重重；其二，超大片段DNA的高效跨物種轉移技術尚未取得實質性突破，嚴重阻礙了合成基因組功能驗證的步伐。這些瓶頸極大束縛了合成基因組學在高等生物研究中的應用與拓展。此次元英進院士團隊帶來的最新研究成果，在這兩大關鍵難題上均實現重大突破。

　　研究團隊創新性構建了名為SynNICE的技術體系，宛如為人類基因組合成與轉移打造了一把“萬能鑰匙”。在釀酒酵母中，該體系首次實現兆堿基級且富含高度重複序列的人類基因組序列的精準從頭組裝；創造性開發出“酵母核載體”策略，通過優化酵母細胞核體外提取技術，既有效防止核内染色體DNA降解，又完整保留染色體高級結構特征；更為關鍵的是，成功将Mb級人類基因組DNA高效遞送至哺乳動物早期胚胎。依托這一技術體系，研究人員以小鼠早期胚胎為模型，成功捕捉到從頭DNA甲基化（de novo DNA methylation）建立的模式，證實從頭建立的表觀遺傳修飾在調控合成基因組基因轉錄過程中發揮着關鍵作用。

　　以人類Y染色體關鍵功能區——無精子症因子a（AZFa）為例，該區域一旦缺失，會引發最為嚴重的男性不育，患者通過手術獲取精子的可能性近乎為零。研究人員巧妙提出“組合式層級組裝策略”，借助酵母同源重組機制，采用三步逐級拼接方案，成功攻克難關，實現這一複雜序列（重複序列占比高達69.38%）在釀酒酵母中的高效組裝。團隊還突破性開發出完整酵母細胞核分離技術，能夠精準提取直徑僅1微米的細胞核，不僅确保核内合成染色體完整無缺，更維持染色質高級結構特征，利用該技術提取的酵母細胞核可冷凍保存6個月以上。之後，研究團隊運用顯微注射技術，将合成基因組高效送入具有全能性分化潛能的小鼠早期胚胎，并首次觀察到合成基因組在早期胚胎四細胞階段啟動轉錄的奇妙現象。

　　北京大學教授、新基石研究員湯富酬對這項研究給予高度評價，認為這一合成生物學領域的重大突破，為人類疾病治療勾勒出廣闊應用前景。以基因修飾豬的器官異種移植為例，當下相關研究已臨近臨床應用階段，但現階段豬器官移植給人類後，其功能通常僅能維持兩三年，僅為患者等待人類供體器官争取一個窗口期，患者長期生存最終仍依賴人類供體器官移植。而元英進院士團隊開發的SynNICE技術，為基因修飾豬基因組的大規模改造提供創新技術方案。未來，有望運用該技術将Mb尺度人類基因組區域精準替換豬的對應基因，逐步降低豬器官移植給人類時的異種免疫排斥強度，直至接近人類種内器官移植水平。如此一來，豬供體器官移植給人類後的功能維持時間，有望從兩三年大幅延長至數十年，徹底攻克人類器官移植供體短缺這一世界性、世紀性難題。

　　合成基因組學在深度理解基因組功能與調控機制（建物緻知），以及重塑細胞和個體功能與表型（建物緻用）方面，蘊含着不可估量的價值。過往，哺乳動物基因組因尺寸龐大、高度重複序列多，導緻精準組裝困難重重；跨物種遞送效率極低，将Mb以上人工合成大片段DNA完整轉移至哺乳動物細胞近乎不可能；宿主細胞如何重塑未攜帶表觀修飾的外源Mb級DNA，包括表觀狀态建立與轉錄調控機制，科學界認知近乎空白，缺乏理性設計原則。此次天津大學元英進教授團隊開發的SynNICE技術，為沖破這些困境提供了有效路徑。該技術先在酵母中逐級組裝合成DNA片段，成功合成長達1.14Mb且重複序列含量高的人源AZFa區域DNA；接着創新性利用酵母細胞核作為天然載體，将其完整遞送至小鼠卵母細胞，實現合成DNA向哺乳動物細胞的轉移；最後借助該模型結合多組學分析，捕捉到胚胎早期外源DNA的時序性表觀遺傳修飾重塑過程，如DNA甲基化的從頭合成，且這一過程優先發生在重複序列上，該過程獨立于H3K9me3修飾，并在4-細胞期調控關鍵基因的轉錄激活。

　　這是全球首次實現将人工合成的大片段DNA高效轉移至哺乳動物胚胎的研究，對于深入理解合成染色體的調控與表達機制，以及未來構建基因組寫入技術意義深遠。鑒于酵母核載體系統不僅能穩定凍存，還具備承載更大DNA片段的潛力，該技術平台具備良好的可擴展性，有望進一步推動哺乳動物人工染色體合成研究邁向新高度，為生命科學基礎研究及臨床應用轉化注入強勁動力，開啟合成生物學發展的嶄新篇章。