人类基因组合成重大突破！

天大团队攻克核心难题！

近日，合成生物技术全国重点实验室、天津大学合成生物与生物制造学院元英进院士团队实现大尺度（百万碱基对）人类DNA的精准合成组装与跨物种递送，研究成果于7月10日在《自然-方法》(Nature Methods)刊发，论文名为“从头组装兆碱基对尺度人类基因组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）。元英进院士为论文的通讯作者，博士后刘悦、副研究员周见庭为论文的共同第一作者。该成果是人类基因组合成和转移技术的重要进展，对合成人类基因组具有重要意义。

自21世纪初“人类基因组计划”完成人类染色体测序以来，研究人员便开始追求“从头书写”基因组的能力。基因组合成有助于揭示人类基因组的DNA序列与功能之间的因果关系，从利用测序技术"读取"遗传信息，到主动地"编写"生命密码，有望在生物医药、人类遗传性疾病的治疗等领域开辟变革性的应用前景。基因组合成对保障人类健康、促进经济发展和维护国家安全具有战略意义，是大国重点攻关领域。中国在基因组合成领域也进行了超前布局，2015年天津大学元英进团队成功完成了酿酒酵母5号和10号两条染色体的化学合成，开发了高效的染色体缺陷靶点定位和精准修复技术，相关研究成果于2017年发表在《科学》期刊后，就致力于突破人类基因组合成的关键技术。

人类基因组的从头设计与合成面临两大核心技术瓶颈：首先，人类基因组中超过50%的区域由高度复杂的重复序列构成，其合成与准确组装存在显著技术难题；其次，超大片段DNA的高效跨物种转移尚未突破，这成为合成基因组功能验证的关键技术障碍。这些技术瓶颈极大地限制了合成基因组学在高等生物中的应用与发展。元英进团队最新的研究成果在这两个关键方面均取得了突破性进展。

该研究创新性地建立了名为SynNICE的技术体系：1）在酿酒酵母中实现兆碱基且高度重复人类基因组序列的精准从头组装；2）开发出"酵母核载体"策略，通过发展酵母细胞核体外提取技术，既有效避免了核内染色体DNA的降解，又完整地保留了染色体的高级结构特征；3）成功实现了Mb级人类基因组DNA向哺乳动物早期胚胎的高效递送。基于这一技术体系平台，研究人员在小鼠早期胚胎模型中成功捕捉到从头DNA甲基化(de novo DNA methylation)的建立的模式，证实从头建立的表观遗传修饰对调控合成基因组基因转录的关键作用。

SynNICE方法示意图

该研究针对人类Y染色体关键功能区——无精子症因子a（AZFa），该区段的缺失会导致最严重的男性不育，通过手术获得精子的概率几乎为零。研究人员提出“组合式层级组装策略”：利用酵母同源重组，通过三步逐级拼接方案，成功实现了这一复杂序列（重复序列占69.38%）在酿酒酵母中的高效组装。团队突破性地开发完整酵母细胞核分离技术，能够提取直径仅1微米的细胞核，不仅确保了核内合成染色体不被降解，更维持了其染色质高级结构特征，利用该方法提出的酵母细胞核可冷冻保存6个月以上。研究团队通过显微注射技术，将合成基因组高效递送至具有全能性分化潜能的小鼠早期胚胎，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现象。

专家点评

汤富酬，北京大学教授，新基石研究员

人类基因组中含有约52%的重复序列，要合成重复序列含量如此高的Mb（百万碱基对）级的DNA序列并高效导入宿主细胞是合成基因组学的重大挑战。元英进院士团队利用该实验室多年来积累的丰富经验和先进的研究理念成功实现了这一重大目标。在此基础上，他们发现导入小鼠卵母细胞的人工合成的人类Y染色体大片段DNA在后续的胚胎发育过程中发生了DNA甲基化，其甲基化模式与内源基因组序列相似。这说明宿主细胞可以根据人工合成DNA的序列本身进行DNA甲基化修饰，有望重建与内源序列相同的DNA甲基化特征。这一合成生物学领域的重大突破对于人类疾病治疗带来广阔的应用前景。例如，目前基因修饰猪的器官异种移植给人类的研究已经接近临床应用水平，但是目前的猪器官移植给人类的目标是其功能维持两三年的时间，给患者等待人类供体器官移植一个窗口期，最终还是要靠人类供体器官的移植来解决患者长期生存的问题。元英进教授团队开发的SynNICE技术为基因修饰猪的基因组进行大规模改造提供创新性技术方案，有望将Mb尺度人类基因组区域替换掉对应猪的基因，可能使得猪的器官移植给人类时的异种免疫排斥强度逐渐降低到人类种内器官移植的水平，这样猪的供体器官移植给人类后其功能就有望从维持两三年增加到维持数十年，彻底解决人类器官移植供体短缺的世界性和世纪性难题。

李伟，中国科学院动物研究所研究员

合成基因组学在理解基因组的功能与调控（建物致知）和重塑细胞和个体的功能与表型（建物致用）方面具有重要价值。目前合成基因组学已经在细菌、酵母等单细胞生物里取得重要突破，但在哺乳动物系统中的发展仍面临多重挑战：（1）精准组装难。哺乳动物基因组尺寸巨大，且高度重复序列，导致精准组装困难；（2）跨物种递送效率低下。将Mb以上的人工合成大片段DNA完整转移到哺乳动物细胞中非常困难；（3）宿主细胞如何重塑未携带表观修饰的外源Mb级DNA，包括其表观状态建立与转录调控机制，仍存在认知空白，缺乏理性设计原则。

针对这些挑战，天津大学元英进教授团队开发了SynNICE技术，提供了突破路径。该技术首先在酵母中逐级组装合成DNA片段，合成了长达1.14Mb且重复序列含量高的人源AZFa区域DNA；其次创新性地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中，实现了合成DNA到哺乳动物细胞的转移。最后利用这一模型结合多组学分析，捕获了胚胎早期外源DNA的时序性表观遗传修饰重塑，例如DNA甲基化的从头合成，且优先发生在重复序列上。该过程独立于H3K9me3修饰，并调控关键基因在4-细胞期的转录激活。

这是第一次把人工合成的大片段DNA高效转移至哺乳动物胚胎的工作，对理解合成染色体的调控与表达，以及未来基因组写入技术的构建，具有重要价值。由于酵母核载体系统不仅能稳定冻存，也具备承载更大DNA片段的潜力，因此该技术平台具有可扩展性，有望进一步推动哺乳动物人工染色体合成的发展。哺乳动物人工合成染色体技术将为解析表观遗传修饰建立机制、研究染色体微缺失等遗传疾病提供新模型。