DNA合成和跨物种转移的大规模人类基因组新技术突破

近日，合成生物技术国家重点实验室、天津大学合成生物与生物制造学校元英进院士团队在7月10日在《自然-方法》上公布了大规模(兆碱基Mb)人类DNA的精确生成、组装和跨物种传递。这一结果是人类基因组合和转移技术的重要进展，对人类基因组的生成具有重要意义。

自21 自20世纪初“人类基因组计划”完成人类染色体测序以来，研究人员开始追求“从零开始写”基因组的能力。基因组生成有利于揭示人类基因组DNA序列与功能的因果关系，有望在生物医学、人类遗传病治疗等领域开拓变革性的发展前景。基因组生成对保障人体健康、促进经济发展、维护国家安全具有战略意义，是大国重点研究领域。

中国也在基因组生成领域做出了先进的布局。2015年，元英进团队成功完成了酿酒酵母5号和10号染色体的化学合成，开发了高效的染色体缺陷靶点定位和精确修复技术。2017年《科学》期刊发表后，相关研究成果致力于突破人类基因组生成的核心技术。

人类基因组从一开始就面临着两个核心技术瓶颈——首先，50%以上的人类基因组由高度复杂的重复序列组成，其精确合成和精确组装存在显著的技术问题;其次，超大片段DNA的高效跨物种转移尚未突破，成为基因组功能验证的核心技术障碍。这些技术瓶颈极大地限制了基因组学在高等生物中的应用和发展。

在两个关键方面，元英进团队的最新研究成果都取得了突破。

这项研究创新性地建立了一个名为SynNICE的技术体系;在酿酒酵母中，完成了对人类基因组序列进行高度重复的准确从头组装，同时开发了“酵母核媒介”战略。通过发展酵母细胞核体外提取技术，不仅有效避免了核内染色体DNA的降解，而且完全保留了染色体的先进结构类型。此外，该研究还成功实现了Mb级人类基因组DNA对哺乳动物早期胚胎的高效传递。

基于这一技术体系平台，研究人员成功地捕捉到了小鼠早期胚胎模型中DNA甲基化的建立方法，证实了从零开始建立的表观遗传装饰对基因组基因转录的调控和生成起着关键作用。

本研究针对人类Y染色体的关键功能区-无精症因素a(AZFa)，这个区段的缺失会导致最严重的男性不孕，通过手术获得精子的概率几乎为零。研究人员提出了“组合级组装策略”：这种复杂的序列(重复序列占69.38%)在酿酒酵母中的高效组装，通过三步一步的拼接方案成功实现。团队突破性地开发了完整的酵母细胞核分离技术，可以提取直径只有1微米的细胞核，既保证了核中的染色体不被降解，又保持了其染色质的先进结构类型。该方法提出的酵母细胞核可以冷冻保存6个月左右。研究小组通过显微注射技术，将生成的基因组高效地传递给具有全能分化潜力的小鼠早期胚胎，并首次观察到生成四个细胞的基因组。

这项研究在全球范围内实现了人类基因组的从头合成组装、跨物种转移和功能重塑。元英进团队开发的SynNICE方法首次揭示了进入受体细胞后生成基因组被细胞环境识别和重塑的过程，为从零开始建立表观遗传修饰提供了全新的技术手段，同时也为治疗染色体变异相关疾病开辟了新的思路和技术。预计未来染色体疾病的创新治疗方法将在此基础上发展，并将其转化为临床治疗。