在 HAC/MAC 上通过片段组装系统重构 DNA 片段

在微型染色体上构建定制 DNA

设想能够像拼接积木那样在活细胞内把许多 DNA 片段插接成一个定制模型。本研究的目标基本上就是实现这一点。研究者们创建了一种新方法，可以在设计用于哺乳动物细胞内存在的人工染色体上直接组装多个基因片段。这种方法有望简化构建复杂遗传程序的过程，未来可用于治疗、工程化组织或高性能细胞工厂的构建。

为什么微小的额外染色体很重要

人类和小鼠人工染色体是实验室制作的载体，在细胞内表现得像正常染色体，但可以装载我们选择的 DNA。科学家们已经用它们来递送非常大的基因，例如与肌营养不良相关的巨大肌萎缩蛋白基因，或是一整簇参与药物代谢的基因。然而，将许多独立基因加载到这些人工染色体上一直比较笨拙。传统方法通常一次只能加入一个大型 DNA 包，或只进行少数步骤就耗尽可选择的筛选标记，而且往往会带入不需要的载体骨架序列——用于克隆的附加 DNA——这些多余序列会使构建复杂化，并可能干扰基因功能。

一种新的片段拼接方法

作者们设计了一个“片段组装”系统，把人工染色体当作多个入站 DNA 片段的对接平台。每个片段都携带在基因装载载体上，并被两侧的短序列所包围，这些短序列可被称为整合酶和重组酶的酶识别。这些酶像精确的剪切和粘合工具，只在匹配位点切接 DNA。在第一轮装载中，最多可将三片片段按既定顺序连接到人工染色体上。巧妙之处在于，笨重的载体骨架被安置在分裂的药物抗性基因的可淘汰区段内，只有当片段正确组装时，细胞才能在药物处理下存活。

清除多余的 DNA

一旦第一组片段就位，第二组酶就会在不干扰已组装基因的情况下去除大部分不需要的载体 DNA。这一步还会将一种药物抗性基因替换为另一种，使研究者能够在重复该过程时继续使用相同的药物进行筛选。通过在两对酶之间交替，团队可以循环进行装载：组装新片段、切除骨架、切换药物抗性并为下一次加入做准备。在这项研究中，他们演示了连续进行三次这样的步骤。

将系统付诸实践

为证明该方法可行，研究者将两个不同的基因表达单元拆分为六个独立片段。在携带设有对接平台的小鼠人工染色体的活仓鼠细胞中，他们首先组装了一个同时产生红色荧光蛋白和带标签的酶 RTCB 的基因。在后续轮次中，他们构建了一个产生绿色荧光蛋白的第二表达单元。成功完成每个阶段的细胞在相应药物存在下存活，并在显微镜下发出红色和绿色荧光，表明重组的基因是有活性的。携带这两个重构基因单元的人工染色体随后被转移到小鼠成纤维细胞中，在那里它再次指导产生相同的蛋白。进一步测试表明，来自人工染色体的 RTCB 酶是功能性的，帮助细胞在内质网应激时作出适当反应。

这对未来细胞工程的意义

该片段组装系统允许科学家在人工染色体上将多个 DNA 片段组装为完整基因，同时剥离掉大部分不需要的辅助 DNA。由于这种方法具有模块化和可重复性，它为构建长的、定制设计的遗传片段——本质上是合成染色体——并在细胞系之间转移提供了一条可行路径。从长远看，这可能简化用于生产治疗蛋白的细胞设计，更忠实地模拟人类疾病，甚至携带具有新功能组合的工程微型基因组。

引用: Suzuki, T., Yamakawa, M., Sasaki, S. et al. Reconstitution of DNA fragments on HAC/MAC via the fragment-assembly system. Sci Rep 16, 10142 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40789-9

关键词: 人工染色体, 基因装载, 合成生物学, DNA 组装, 基因组工程