發布時間：2025-07-11
天大合成生物技術全國重點實驗室在人類基因合成研究上向前邁了一大步
本站訊 （記者趙暉）近日，合成生物技術全國重點實驗室、天津大學合成生物與生物制造學院元英進院士團隊實現大尺度（百萬堿基對）人類DNA的精準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，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移技術的重要進展，對合成人類基因組具有重要意義。
自21世紀初“人類基因組計劃”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。基因組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系，從利用測序技術"讀取"遺傳信息，到主動地"編寫"生命密碼，有望在生物醫藥、人類遺傳性疾病的治療等領域開辟變革性的應用前景。基因組合成對保障人類健康、促進經濟發展和維護國家安全具有戰略意義，是大國重點攻關領域。中國在基因組合成領域也進行了超前布局，2015年天津大學元英進團隊成功完成了釀酒酵母5號和10號兩條染色體的化學合成，開發了高效的染色體缺陷靶點定位和精準修復技術，相關研究成果于2017年發表在《科學》期刊后，就致力于突破人類基因組合成的關鍵技術。
人類基因組的從頭設計與合成面臨兩大核心技術瓶頸：首先，人類基因組中超過50%的區域由高度復雜的重復序列構成，其合成與準確組裝存在顯著技術難題；其次，超大片段DNA的高效跨物種轉移尚未突破，這成為合成基因組功能驗證的關鍵技術障礙。這些技術瓶頸極大地限制了合成基因組學在高等生物中的應用與發展。元英進團隊最新的研究成果在這兩個關鍵方面均取得了突破性進展。
該研究創新性地建立了名為SynNICE的技術體系：1）在釀酒酵母中實現兆堿基且高度重復人類基因組序列的精準從頭組裝；2）開發出"酵母核載體"策略，通過發展酵母細胞核體外提取技術，既有效避免了核內染色體DNA的降解，又完整地保留了染色體的高級結構特征；3）成功實現了Mb級人類基因組DNA向哺乳動物早期胚胎的高效遞送。基于這一技術體系平臺，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，證實從頭建立的表觀遺傳修飾對調控合成基因組基因轉錄的關鍵作用。
該研究針對人類Y染色體關鍵功能區——無精子癥因子a（AZFa），該區段的缺失會導致最嚴重的男性不育，通過手術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，成功實現了這一復雜序列（重復序列占69.38%）在釀酒酵母中的高效組裝。團隊突破性地開發完整酵母細胞核分離技術，能夠提取直徑僅1微米的細胞核，不僅確保了核內合成染色體不被降解，更維持了其染色質高級結構特征，利用該方法提出的酵母細胞核可冷凍保存6個月以上。研究團隊通過顯微注射技術，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胞階段啟動轉錄的現象。
這項研究在國際上實現了Mb尺度人類基因組的從頭合成組裝、跨物種轉移與功能重塑。元英進團隊研發的SynNICE方法具有雙重價值：一方面，該技術首次揭示了合成基因組在進入受體細胞后被細胞環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手段；另一方面，該研究為染色體異常相關疾病的治療開辟了新思路和新技術，未來有望在此基礎上發展出針對染色體疾病的創新性治療方案，并推動其向臨床應用轉化，從而為廣大患者帶來福祉。
專家點評：
湯富酬，北京大學教授，新基石研究員
人類基因組中含有約52%的重復序列，要合成重復序列含量如此高的Mb（百萬堿基對）級的DNA序列并高效導入宿主細胞是合成基因組學的重大挑戰。元英進院士團隊利用該實驗室多年來積累的豐富經驗和先進的研究理念成功實現了這一重大目標。在此基礎上，他們發現導入小鼠卵母細胞的人工合成的人類Y染色體大片段DNA在后續的胚胎發育過程中發生了DNA甲基化，其甲基化模式與內源基因組序列相似。這說明宿主細胞可以根據人工合成DNA的序列本身進行DNA甲基化修飾，有望重建與內源序列相同的DNA甲基化特征。這一合成生物學領域的重大突破對于人類疾病治療帶來廣闊的應用前景。例如，目前基因修飾豬的器官異種移植給人類的研究已經接近臨床應用水平，但是目前的豬器官移植給人類的目標是其功能維持兩三年的時間，給患者等待人類供體器官移植一個窗口期，最終還是要靠人類供體器官的移植來解決患者長期生存的問題。元英進教授團隊開發的SynNICE技術為基因修飾豬的基因組進行大規模改造提供創新性技術方案，有望將Mb尺度人類基因組區域替換掉對應豬的基因，可能使得豬的器官移植給人類時的異種免疫排斥強度逐漸降低到人類種內器官移植的水平，這樣豬的供體器官移植給人類后其功能就有望從維持兩三年增加到維持數十年，徹底解決人類器官移植供體短缺的世界性和世紀性難題。
李偉，中國科學院動物研究所研究員
合成基因組學在理解基因組的功能與調控（建物致知）和重塑細胞和個體的功能與表型（建物致用）方面具有重要價值。目前合成基因組學已經在細菌、酵母等單細胞生物里取得重要突破，但在哺乳動物系統中的發展仍面臨多重挑戰：（1）精準組裝難。哺乳動物基因組尺寸巨大，且高度重復序列，導致精準組裝困難；（2）跨物種遞送效率低下。將Mb以上的人工合成大片段DNA完整轉移到哺乳動物細胞中非常困難；（3）宿主細胞如何重塑未攜帶表觀修飾的外源Mb級DNA，包括其表觀狀態建立與轉錄調控機制，仍存在認知空白，缺乏理性設計原則。
針對這些挑戰，天津大學元英進教授團隊開發了SynNICE技術，提供了突破路徑。該技術首先在酵母中逐級組裝合成DNA片段，合成了長達1.14Mb且重復序列含量高的人源AZFa區域DNA；其次創新性地利用酵母細胞核作為天然載體，將其完整遞送至小鼠卵母細胞中，實現了合成DNA到哺乳動物細胞的轉移。最后利用這一模型結合多組學分析，捕獲了胚胎早期外源DNA的時序性表觀遺傳修飾重塑，例如DNA甲基化的從頭合成，且優先發生在重復序列上。該過程獨立于H3K9me3修飾，并調控關鍵基因在4-細胞期的轉錄激活。
這是第一次把人工合成的大片段DNA高效轉移至哺乳動物胚胎的工作，對理解合成染色體的調控與表達，以及未來基因組寫入技術的構建，具有重要價值。由于酵母核載體系統不僅能穩定凍存，也具備承載更大DNA片段的潛力，因此該技術平臺具有可擴展性，有望進一步推動哺乳動物人工染色體合成的發展。哺乳動物人工合成染色體技術將為解析表觀遺傳修飾建立機制、研究染色體微缺失等遺傳疾病提供新模型。
