近日，合成生物技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、天津大學(xué)合成生物與生物制造學(xué)院元英進(jìn)院士團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)大尺度(百萬堿基對)人類DNA的精準(zhǔn)合成組裝與跨物種遞送，研究成果于7月10日在《自然-方法》(Nature Methods)刊發(fā)，論文名為“從頭組裝兆堿基對尺度人類基因組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)。元英進(jìn)院士為論文的通訊作者，博士后劉悅、副研究員周見庭為論文的共同第一作者。該成果是人類基因組合成和轉(zhuǎn)移技術(shù)的重要進(jìn)展，對合成人類基因組具有重要意義。

　　自21世紀(jì)初“人類基因組計(jì)劃”完成人類染色體測序以來，研究人員便開始追求“從頭書寫”基因組的能力?；蚪M合成有助于揭示人類基因組的DNA序列與功能之間的因果關(guān)系，從利用測序技術(shù)"讀取"遺傳信息，到主動地"編寫"生命密碼，有望在生物醫(yī)藥、人類遺傳性疾病的治療等領(lǐng)域開辟變革性的應(yīng)用前景?；蚪M合成對保障人類健康、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和維護(hù)國家安全具有戰(zhàn)略意義，是大國重點(diǎn)攻關(guān)領(lǐng)域。中國在基因組合成領(lǐng)域也進(jìn)行了超前布局，2015年天津大學(xué)元英進(jìn)團(tuán)隊(duì)成功完成了釀酒酵母5號和10號兩條染色體的化學(xué)合成，開發(fā)了高效的染色體缺陷靶點(diǎn)定位和精準(zhǔn)修復(fù)技術(shù)，相關(guān)研究成果于2017年發(fā)表在《科學(xué)》期刊后，就致力于突破人類基因組合成的關(guān)鍵技術(shù)。

　　人類基因組的從頭設(shè)計(jì)與合成面臨兩大核心技術(shù)瓶頸：首先，人類基因組中超過50%的區(qū)域由高度復(fù)雜的重復(fù)序列構(gòu)成，其合成與準(zhǔn)確組裝存在顯著技術(shù)難題；其次，超大片段DNA的高效跨物種轉(zhuǎn)移尚未突破，這成為合成基因組功能驗(yàn)證的關(guān)鍵技術(shù)障礙。這些技術(shù)瓶頸極大地限制了合成基因組學(xué)在高等生物中的應(yīng)用與發(fā)展。元英進(jìn)團(tuán)隊(duì)最新的研究成果在這兩個(gè)關(guān)鍵方面均取得了突破性進(jìn)展。

　　該研究創(chuàng)新性地建立了名為SynNICE的技術(shù)體系：1)在釀酒酵母中實(shí)現(xiàn)兆堿基且高度重復(fù)人類基因組序列的精準(zhǔn)從頭組裝；2)開發(fā)出"酵母核載體"策略，通過發(fā)展酵母細(xì)胞核體外提取技術(shù)，既有效避免了核內(nèi)染色體DNA的降解，又完整地保留了染色體的高級結(jié)構(gòu)特征；3)成功實(shí)現(xiàn)了Mb級人類基因組DNA向哺乳動物早期胚胎的高效遞送?；谶@一技術(shù)體系平臺，研究人員在小鼠早期胚胎模型中成功捕捉到從頭DNA甲基化(de novo DNA methylation)的建立的模式，證實(shí)從頭建立的表觀遺傳修飾對調(diào)控合成基因組基因轉(zhuǎn)錄的關(guān)鍵作用。

SynNICE方法示意圖

　　該研究針對人類Y染色體關(guān)鍵功能區(qū)——無精子癥因子a(AZFa)，該區(qū)段的缺失會導(dǎo)致最嚴(yán)重的男性不育，通過手術(shù)獲得精子的概率幾乎為零。研究人員提出“組合式層級組裝策略”：利用酵母同源重組，通過三步逐級拼接方案，成功實(shí)現(xiàn)了這一復(fù)雜序列(重復(fù)序列占69.38%)在釀酒酵母中的高效組裝。團(tuán)隊(duì)突破性地開發(fā)完整酵母細(xì)胞核分離技術(shù)，能夠提取直徑僅1微米的細(xì)胞核，不僅確保了核內(nèi)合成染色體不被降解，更維持了其染色質(zhì)高級結(jié)構(gòu)特征，利用該方法提出的酵母細(xì)胞核可冷凍保存6個(gè)月以上。研究團(tuán)隊(duì)通過顯微注射技術(shù)，將合成基因組高效遞送至具有全能性分化潛能的小鼠早期胚胎，首次觀察到合成基因組在早期胚胎四細(xì)胞階段啟動轉(zhuǎn)錄的現(xiàn)象。

　　這項(xiàng)研究在國際上實(shí)現(xiàn)了Mb尺度人類基因組的從頭合成組裝、跨物種轉(zhuǎn)移與功能重塑。元英進(jìn)團(tuán)隊(duì)研發(fā)的SynNICE方法具有雙重價(jià)值：一方面，該技術(shù)首次揭示了合成基因組在進(jìn)入受體細(xì)胞后被細(xì)胞環(huán)境識別和重塑的過程，為研究表觀遺傳修飾的從頭建立提供了全新的技術(shù)手段；另一方面，該研究為染色體異常相關(guān)疾病的治療開辟了新思路和新技術(shù)，未來有望在此基礎(chǔ)上發(fā)展出針對染色體疾病的創(chuàng)新性治療方案，并推動其向臨床應(yīng)用轉(zhuǎn)化，從而為廣大患者帶來福祉。