上海
点评 | 汤富酬 （ 北京大学 ）， 李伟 （ 中国科学院动物研究所 ）
合成生物学以“合成生命和设计生命”为使命 。 2010年J. Craig Venter研究所实现丝状支原体基因组的全化学合成并移植到山羊支原体中，创造了首个能在实验室中自我复制的人造生命细胞。这一开创性的工作首次证明新的生命体不仅可以自然进化产生，还能通过人工设计"从无到有"地被创造。自此，合成基因组学开启了快速发展的新纪元，研究逐步从简单的原核生物扩展到单细胞真核生物（如酿酒酵母合成基因组计划Sc2.0），并正在向高等动植物的全基因组合成迈进。然而，高等生物基因组的从头设计与合成仍面临两大核心挑战：第一，高等真核生物基因组中超过50%的区域由复杂的重复序列组成，这些序列的合成与准确组装存在巨大技术挑战；第二，超大片段DNA的高效跨物种转移，是限制合成基因组功能研究的关键技术瓶颈。这两大挑战严重制约了合成基因组学在高等生物体系中的应用与发展。
近日，天津大学合成生物技术全国重点实验室、合成生物与生物制造学院元英进院士团队 在Nature Methods上发表了文章De novo Assembly and Delivery of Synthetic Megabase-Scale Human DNA into Mouse Early Embryos，首次实现兆碱基 对 (Mb)尺度人类DNA的精准合成组装与跨物种递送 。
该研究 开发了名为SynNICE的全新技术体系：1）在酿酒酵母中实现百万碱基对尺度的高度重复人类基因组序列的精准从头组装；2）创新性地提出"酵母核载体"策略，通过 开发酵母细胞核体外提取方法，在避免核内染色体DNA降解的同时，维持了染色体高级结构的完整性；3）实现不含哺乳动物表观修饰、naïve状态的Mb尺度人类基因组DNA向哺乳动物早期胚胎的高效跨物种递送。在小鼠早期胚胎中， 研究人员 首次成功观察到从头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。
该研究针对人类Y染色体上1.14 Mb的 AZFa 区域（该区域的微缺失导致最严重的男性不育表型），开发了“组合式层级组装策略”，首先将这段包含 69.38%的高度重复序列 的DNA拆解为233个5.5 kb片段进行化学合成，随后利用酵母同源重组分三步逐级拼接，结合CRISPR-Cas9切割与酵母交配技术，最终实现复杂序列在酿酒酵母中的高效组装。随后团队开发NICE (Nucleus Isolation for Chromosomes Extraction) 方法，从酵母中分离出直径仅1微米的完整细胞核，通过抑制内源DNA酶活性和维持染色体压缩状态，使核内1.14 Mb合成染色体完整且保持染色质高级结构。利用该方法提出的酵母细胞核可冷冻保存6个月以上。通过显微注射，研究团队成功将合成基因组高效递送至具有全能性的小鼠早期胚胎中，观察到小鼠母源组蛋白迅速结合、从0开始建立的DNA甲基化在重复序列富集并调控合成基因组的转录。该研究首次实现了Mb尺度人类基因组的从头组装、跨物种转移与功能重塑。
S ynNICE 方法示意图
这项研究在国际上实现了Mb尺度人类基因组的从头合成组装、跨物种转移与功能重塑，具有双重价值：一方面，该技术首次揭示了合成基因组在进入受体细胞后被细胞环境识别和重塑的过程 ， 为研究表观遗传修饰的从头建立提供了全新的技术手段；另一方面， 该研究为染色体异常相关疾病的治疗开辟了新思路和新技术，未来有望在此基础上发展出针对染色体疾病的创新性治疗方案，并推动其向临床应用转化，从而为广大患者带来福祉 。
该研究中，天津大学合成生物技术全国重点实验室、合成生物与生物制造学院元英进院士为论文的唯一通讯作者。博士后刘悦、副研究员周见庭为论文的共同第一作者。 该研究得到天津大学药学院刘子川教授、清华大学颉伟教授、启函生物杨璐菡博士等的大力支持和帮助。
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。元英进教授团队发展的SynNICE技术有望为基因修饰猪的基因组进行大规模改造提供很好的技术手段，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。
专家点评
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1.14 Mb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。
https://www.nature.com/articles/s41592-025-02746-8
制版人： 十一
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