《Science》加速合成人类人工染色体的新方法

宾夕法尼亚大学的研究人员在人类人工染色体技术上取得了重大突破，开发了一种简化HACs构建的新方法。这一创新有望加速DNA研究，并可能显著影响基因治疗和生物技术，为当前的基因传递系统提供可靠的替代方案，并扩大基因工程在各个领域的潜力。

　　

研究人员指出，该技术将提高实验室研究效率，拓宽基因治疗的范围。

在人类细胞内发挥作用的人造人类染色体有可能彻底改变基因治疗，包括某些癌症的治疗，并有许多实验室用途。然而，重大的技术挑战阻碍了它们的进展。

现在，由宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院的研究人员领导的一个研究小组在这一领域取得了重大突破，有效地绕过了一个常见的绊脚石。

在最近发表在《科学》(Science)杂志上的一项研究中，研究人员解释了他们是如何设计出一种高效的技术，从设计DNA的单个长结构中制造HACs的。先前制造HACs的方法受到以下事实的限制:用于制造HACs的DNA结构倾向于以不可预测的长序列和不可预测的重排连接在一起——“多聚”。这种新方法使HACs能够更快、更精确地制作出来，这反过来又将直接加快DNA研究的速度。随着时间的推移，有了一个有效的输送系统，这项技术可能会为癌症等疾病带来更好的工程细胞疗法。

HAC设计大修

宾夕法尼亚大学埃尔德里奇·里夫斯·约翰逊基金会生物化学和生物物理学教授Ben Black博士说:“从本质上讲，我们对HAC设计和交付的旧方法进行了彻底的改革。我们建造的HAC对于生物技术应用的最终部署非常有吸引力，例如，需要大规模细胞基因工程的应用。一个好处是，它们与自然染色体一起存在，而不必改变细胞中的自然染色体。”

第一个HACs是在25年前开发出来的，而人工染色体技术对于细菌和酵母等低等生物的更小、更简单的染色体来说已经很先进了。人类的染色体则是另一回事，主要是由于它们更大的尺寸和更复杂的着丝粒，即x形染色体臂连接的中心区域。研究人员已经能够从添加到细胞中的DNA的自连接长度中获得小的人造人类染色体，但是这些DNA长度以不可预测的组织和复制数进行聚合，使其治疗或科学用途复杂化，并且最终产生的HACs有时甚至会从宿主细胞中合并一些自然染色体，这使得对它们的编辑不可靠。

在他们的研究中，宾夕法尼亚大学医学院的研究人员通过多种创新设计了改进的HACs:这些创新包括更大的初始DNA结构，包含更大更复杂的着丝粒，这使得HACs可以从这些结构的单个拷贝中形成。为了传递到细胞中，他们使用了一种基于酵母细胞的传递系统，该系统能够携带更大的货物。

Black说:“例如，我们没有试图抑制多增殖，而是通过增加输入DNA结构的大小来绕过这个问题，这样它就自然地倾向于保持可预测的单拷贝形式。”

研究人员表明，与标准方法相比，他们的方法在形成可存活的HACs方面效率更高，并且产生的HACs可以在细胞分裂过程中自我复制。

优势及未来应用

人工染色体的潜在优势有很多——假设它们可以很容易地传递到细胞中，并像天然染色体一样运作。与基于病毒的基因传递系统相比，它们将为表达治疗性基因提供更安全、更高效、更持久的平台，而基于病毒的基因传递系统可能引发免疫反应，并涉及有害的病毒插入自然染色体。细胞中正常的基因表达也需要许多局部和远处的调节因子，这实际上是不可能在染色体样环境之外人工繁殖的。此外，人工染色体与相对狭窄的病毒载体不同，它可以表达大型、合作的基因组合，例如，构建复杂的蛋白质机器。

Black预计，他的研究小组在这项研究中采用的同样广泛的方法将有助于为其他高等生物制造人工染色体，包括用于农业的植物，如抗虫害的高产作物。

参考文献:“Efficient formation of single-copy human artificial chromosomes” by Craig W. Gambogi, Gabriel J. Birchak, Elie Mer, David M. Brown, George Yankson, Kathryn Kixmoeller, Janardan N. Gavade, Josh L. Espinoza, Prakriti Kashyap, Chris L. Dupont, Glennis A. Logsdon, Patrick Heun, John I. Glass and Ben E. Black, 21 March 2024, Science.