近(jin)日(ri),合(he)成(cheng)生(sheng)物技(ji)術全國(guo)重(zhong)點實驗室(shi)、天津大學合(he)成(cheng)生(sheng)物與生(sheng)物制造(zao)學院元(yuan)英進(jin)院士(shi)團(tuan)隊實現大尺(chi)度(百萬堿(jian)基對)人類(lei)DNA的(de)(de)精準合(he)成(cheng)組(zu)(zu)裝(zhuang)與跨(kua)物種遞送,研(yan)(yan)究成(cheng)果(guo)于7月10日(ri)在《自然-方法(fa)》(Nature Methods)刊發(fa),論(lun)文(wen)名為“從(cong)頭(tou)組(zu)(zu)裝(zhuang)兆堿(jian)基對尺(chi)度人類(lei)基因(yin)組(zu)(zu)DNA并遞送至小鼠(shu)早期胚胎”(De novo Assembly and Delivery of Synthetic Megabase-Scale Human DNA into Mouse Early Embryos)。元(yuan)英進(jin)院士(shi)為論(lun)文(wen)的(de)(de)通訊作者,博(bo)士(shi)后劉悅、副研(yan)(yan)究員周見庭為論(lun)文(wen)的(de)(de)共同第一作者。該成(cheng)果(guo)是人類(lei)基因(yin)組(zu)(zu)合(he)成(cheng)和轉移技(ji)術的(de)(de)重(zhong)要進(jin)展(zhan),對合(he)成(cheng)人類(lei)基因(yin)組(zu)(zu)具有重(zhong)要意(yi)義。

自21世(shi)紀初“人(ren)類基(ji)因(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)組(zu)(zu)(zu)計劃”完(wan)(wan)成(cheng)(cheng)人(ren)類染色(se)(se)體測序(xu)以來,研(yan)究人(ren)員便開始(shi)追求“從頭書寫(xie)”基(ji)因(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)組(zu)(zu)(zu)的(de)(de)能(neng)力。基(ji)因(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)組(zu)(zu)(zu)合成(cheng)(cheng)有助于(yu)(yu)揭示(shi)人(ren)類基(ji)因(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)組(zu)(zu)(zu)的(de)(de)DNA序(xu)列(lie)與功能(neng)之間(jian)的(de)(de)因(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)果(guo)關系,從利用(yong)測序(xu)技(ji)術"讀取"遺傳信息,到主動地"編寫(xie)"生命密(mi)碼,有望在生物醫(yi)藥(yao)、人(ren)類遺傳性(xing)疾病(bing)的(de)(de)治療等(deng)領域開辟變革性(xing)的(de)(de)應用(yong)前景。基(ji)因(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)組(zu)(zu)(zu)合成(cheng)(cheng)對保障人(ren)類健(jian)康、促進(jin)經濟(ji)發展(zhan)和(he)維護國家安(an)全(quan)具有戰略意義(yi),是(shi)大(da)國重(zhong)點(dian)攻關領域。中國在基(ji)因(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)組(zu)(zu)(zu)合成(cheng)(cheng)領域也進(jin)行了(le)超前布局,2015年(nian)天津大(da)學(xue)元英進(jin)團隊成(cheng)(cheng)功完(wan)(wan)成(cheng)(cheng)了(le)釀酒酵(jiao)母5號和(he)10號兩(liang)條染色(se)(se)體的(de)(de)化學(xue)合成(cheng)(cheng),開發了(le)高效的(de)(de)染色(se)(se)體缺陷靶點(dian)定位和(he)精準修復技(ji)術,相(xiang)關研(yan)究成(cheng)(cheng)果(guo)于(yu)(yu)2017年(nian)發表在《科學(xue)》期(qi)刊后,就致力于(yu)(yu)突(tu)破人(ren)類基(ji)因(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)組(zu)(zu)(zu)合成(cheng)(cheng)的(de)(de)關鍵(jian)技(ji)術。
人類基(ji)因(yin)(yin)組(zu)(zu)的從頭設計與(yu)合(he)成(cheng)(cheng)面臨兩(liang)大(da)核(he)心技(ji)術(shu)(shu)瓶頸:首先,人類基(ji)因(yin)(yin)組(zu)(zu)中超(chao)過50%的區域由高(gao)度復雜的重復序列構成(cheng)(cheng),其合(he)成(cheng)(cheng)與(yu)準確組(zu)(zu)裝存(cun)在顯著技(ji)術(shu)(shu)難題;其次,超(chao)大(da)片段DNA的高(gao)效跨物種轉移(yi)尚未突(tu)破,這成(cheng)(cheng)為合(he)成(cheng)(cheng)基(ji)因(yin)(yin)組(zu)(zu)功能驗證的關(guan)(guan)鍵技(ji)術(shu)(shu)障(zhang)礙。這些技(ji)術(shu)(shu)瓶頸極大(da)地限制了合(he)成(cheng)(cheng)基(ji)因(yin)(yin)組(zu)(zu)學在高(gao)等生物中的應(ying)用與(yu)發展。元英進團隊(dui)最(zui)新(xin)的研究成(cheng)(cheng)果在這兩(liang)個(ge)關(guan)(guan)鍵方面均取得了突(tu)破性進展。
該研(yan)(yan)究創(chuang)新性(xing)地建立(li)了(le)名為(wei)SynNICE的(de)(de)技術(shu)體系(xi):1)在(zai)釀(niang)酒酵(jiao)母(mu)(mu)中實現(xian)兆堿基(ji)(ji)(ji)(ji)且高(gao)度重復人(ren)類(lei)(lei)基(ji)(ji)(ji)(ji)因(yin)(yin)組序列的(de)(de)精(jing)準從(cong)(cong)頭組裝;2)開發出"酵(jiao)母(mu)(mu)核載體"策略,通過發展酵(jiao)母(mu)(mu)細(xi)胞核體外提取技術(shu),既有效避(bi)免了(le)核內染色體DNA的(de)(de)降解(jie),又(you)完整(zheng)地保留了(le)染色體的(de)(de)高(gao)級結(jie)構(gou)特征;3)成(cheng)(cheng)功實現(xian)了(le)Mb級人(ren)類(lei)(lei)基(ji)(ji)(ji)(ji)因(yin)(yin)組DNA向哺乳動物早期胚胎的(de)(de)高(gao)效遞送(song)。基(ji)(ji)(ji)(ji)于這一技術(shu)體系(xi)平臺,研(yan)(yan)究人(ren)員在(zai)小鼠(shu)早期胚胎模型中成(cheng)(cheng)功捕捉到從(cong)(cong)頭DNA甲基(ji)(ji)(ji)(ji)化(de novo DNA methylation)的(de)(de)建立(li)的(de)(de)模式,證(zheng)實從(cong)(cong)頭建立(li)的(de)(de)表觀遺(yi)傳修飾對調控合成(cheng)(cheng)基(ji)(ji)(ji)(ji)因(yin)(yin)組基(ji)(ji)(ji)(ji)因(yin)(yin)轉(zhuan)錄(lu)的(de)(de)關(guan)鍵(jian)作用(yong)。

SynNICE方法示意圖
該研究(jiu)(jiu)(jiu)針對(dui)人(ren)類Y染(ran)色體關鍵功(gong)能區(qu)——無精(jing)子癥因子a(AZFa),該區(qu)段的(de)(de)缺失會導致最嚴重的(de)(de)男性不(bu)育,通過(guo)手術獲得精(jing)子的(de)(de)概(gai)率(lv)幾(ji)乎為零。研究(jiu)(jiu)(jiu)人(ren)員提(ti)出“組(zu)合(he)式層級(ji)組(zu)裝策略”:利用酵(jiao)母同源重組(zu),通過(guo)三步逐級(ji)拼接方案(an),成功(gong)實現了(le)這一復雜序列(lie)(重復序列(lie)占69.38%)在(zai)釀酒酵(jiao)母中的(de)(de)高(gao)效(xiao)組(zu)裝。團隊(dui)突破性地開發(fa)完整酵(jiao)母細胞(bao)核分(fen)離技術,能夠提(ti)取(qu)直徑僅(jin)1微米的(de)(de)細胞(bao)核,不(bu)僅(jin)確保了(le)核內合(he)成染(ran)色體不(bu)被降解,更維持了(le)其染(ran)色質高(gao)級(ji)結構(gou)特(te)征,利用該方法提(ti)出的(de)(de)酵(jiao)母細胞(bao)核可(ke)冷凍保存6個(ge)月以上。研究(jiu)(jiu)(jiu)團隊(dui)通過(guo)顯微注射技術,將合(he)成基(ji)因組(zu)高(gao)效(xiao)遞(di)送至具有全能性分(fen)化潛能的(de)(de)小鼠早(zao)期(qi)胚(pei)胎(tai),首次觀察到合(he)成基(ji)因組(zu)在(zai)早(zao)期(qi)胚(pei)胎(tai)四(si)細胞(bao)階(jie)段啟(qi)動轉錄的(de)(de)現象。
這項研究在國際上(shang)實現了Mb尺度(du)人類基因(yin)組(zu)的(de)從頭合成組(zu)裝、跨物種(zhong)轉(zhuan)移與功能(neng)重(zhong)塑。元英進團隊研發(fa)的(de)SynNICE方(fang)(fang)法具有雙重(zhong)價(jia)值:一方(fang)(fang)面(mian),該技(ji)術首次(ci)揭(jie)示了合成基因(yin)組(zu)在進入受體(ti)細胞后被細胞環(huan)境識別和重(zhong)塑的(de)過程,為研究表觀遺傳修飾的(de)從頭建(jian)立提(ti)供了全新(xin)的(de)技(ji)術手段;另一方(fang)(fang)面(mian),該研究為染色體(ti)異常相關疾病(bing)的(de)治(zhi)(zhi)療(liao)開(kai)辟了新(xin)思(si)路和新(xin)技(ji)術,未來有望(wang)在此基礎(chu)上(shang)發(fa)展出針對染色體(ti)疾病(bing)的(de)創新(xin)性治(zhi)(zhi)療(liao)方(fang)(fang)案,并推動其(qi)向臨床應用轉(zhuan)化(hua),從而為廣大患者帶(dai)來福祉。
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