Science | 重大突破！开发出更高效制造人类人工染色体的新技术

能够在人体细胞内起作用的人类人工染色体（human artificial chromosome, HAC）可以为先进的基因疗法（包括治疗某些癌症的基因疗法）以及许多实验室应用提供动力，不过，严重的技术障碍阻碍了HAC的开发。

如今，在一项新的研究中，来自美国宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院等研究机构的研究人员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。他们设计出一种利用单个较长的设计DNA（designer DNA）构造体来制造HAC的高效技术。相关研究结果发表在2024年3月22日的Science期刊上，论文标题为“Efficient formation of single-copy human artificial chromosomes”。

以前制造HAC的方法一直受限于这样一个事实，即用于制造HAC的DNA构造体往往以不可预测的长系列和不可预测的重排连接在一起，即多聚化。这种新方法可以更快、更精确地制造 HAC，从而直接加快 DNA 研究的速度。假以时日，再加上有效的递送系统，这项技术就能为癌症等疾病带来更好的工程化细胞疗法。

论文通讯作者、宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院生物化学与生物物理学教授Ben Black博士说，“从根本上说，我们彻底改变了HAC设计和递送的旧方法。我们制造的 HAC 对于生物技术应用的最终部署非常有吸引力，比如，需要对细胞进行大规模基因改造的应用。另外一个好处是，它们与天然染色体同时存在，而无需改变细胞中的天然染色体。”

第一批HAC是 25 年前开发的，而人工染色体技术在细菌和酵母等低等生物的较小、较简单的染色体方面已经非常先进。人类染色体则是另一回事，这主要是由于它们的体积更大，着丝粒（X 型染色体臂连接的中心区域）更复杂。

科学家们已能够通过添加到细胞中的自连接DNA片段来形成小的人造人类染色体，但这些DNA片段会以不可预测的结构和拷贝数发生多聚化，这使得它们的治疗或科学用途变得复杂，而且由此产生的HAC有时甚至会整入宿主细胞中天然染色体的部分区域，从而使得对它们的编辑变得不可靠。

在这项新的研究中，这些作者通过多种创新设计出了改进的 HAC，包括包含更大、更复杂着丝粒的更大初始 DNA构造体，这使得 HAC 可以利用单个这样的DNA构造体形成。在向细胞递送时，他们使用了一种能够携带更大货物的基于酵母细胞的递送系统。

图片来自Science, 2024, doi:10.1126/science.adj3566

Black说，“例如，我们没有试图抑制多聚化，而是通过增加输入DNA构造体的大小，使其自然倾向于保持可预测的单拷贝形式，从而绕过了这个问题。”

这些作者发现，与标准方法相比，他们的方法能更有效地形成有活力的HAC，并能够在细胞分裂过程中产生可以自我增殖的HAC。

人工染色体的潜在优势有很多。假定它们可以很容易地被递送到细胞中，并像天然染色体一样发挥作用。与基于病毒的基因递送系统相比，人工染色体将为表达治疗性基因提供更安全、更高效、更持久的平台，而基于病毒的基因递送系统可能会引发免疫反应，并涉及有害的病毒插入天然染色体。细胞中正常的基因表达还需要许多局部和远距离的调控因子，而这些调控因子几乎不可能在类似染色体的环境之外进行人工复制。此外，与相对狭窄的病毒载体不同，人工染色体允许表达较大的、合作性的基因簇，比如构建复杂蛋白机器的基因簇。

Black预计，他的研究团队在这项新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，包括用于农业应用的植物，如抗虫、高产作物。

参考资料：

Stephen J. Bagley et al. Efficient formation of single-copy human artificial chromosomes. Science, 2024, doi:10.1126/science.adj3566.

Penn Scientists Create Novel Technique to Form Human Artificial Chromosomes
https://www.pennmedicine.org/news/news-releases/2024/march/a-novel-technique-to-form-human-artificial-chromosomes