连发两篇《NAR》，人工染色体研究为基因治疗提供了新的思路

由香港大学生物科学学院副教授 Karen Wing Yee YUEN领导的一个研究小组揭示了一种1毫米长透明线虫线虫模型线虫胚胎中人工染色体（AC）形成的机制。

　　

这一研究结果已在颇具影响力的科学杂志《核酸研究》(Nucleic Acids Research)上背靠背发表了两篇论文。这些研究对DNA组装和新着丝粒形成的机制提供了深入的了解，并促进了ACs的克隆和基因治疗工程。总而言之，Karen Yuen博士和博士后研究员LIN Zhongyang博士在活体(活的有机体内)发现了用于处理外来生物的细胞蛋白，在秀丽线虫中，裸DNA片段形成染色质包装的人工染色体，并剖析了kb大小的外来DNA如何组装成超过10兆碱基大小的人工染色体的分子机制。

什么是人工染色体，为什么它们是未来医学的关键?

从本质上讲，我们的DNA是被蛋白质精心包装起来组成染色质的。如果DNA像一条线，那么这些蛋白质就是DNA线在微观细胞内缠绕的线轴，以保持自身的组织性和整洁性。然而，当一根没有线轴的外来裸DNA线被引入到环境中时，会发生什么呢?有趣的是，细胞可以用自己自制的线轴来提供这种新线，使这种裸露的DNA线在细胞环境中稳定地维持，成为细胞新功能的一部分。我们称这个过程为人工染色体(AC)形成。

在人工染色体的有用应用中，最令人兴奋的前景之一是基因治疗。例如，致命的慢性肺疾病囊性纤维化(CF)是由CFTR基因突变引起的，目前是一种不治之症。科学家们一直在研究使用细菌和酵母人工染色体(BACs和YACs)作为载体或载体来表达正常、功能良好的CFTR基因，并克服患者细胞中CFTR表达缺陷。

就像在生活中一样，要想操纵某物，我们必须首先了解它。为了设计人工染色体，我们必须首先了解它们是如何形成和维持的。

新染色体是如何形成和维持的，以及着丝粒的重要性

在一个普通的人体内，每天几乎有两万亿个细胞分裂。这意味着两万亿个细胞每次都要复制一个完美的自己。缺乏完美无缺的细胞分裂成本无疑是人类最大的敌人:癌症，许多癌症的特征是染色体不稳定。

在细胞分裂过程中，着丝粒是确保染色体可靠遗传的一个重要因素。

着丝粒是每条染色体上的一个特殊区域，它将染色体连接到纺锤体微管，在每次细胞分裂中协调染色体分离。在某些癌细胞中，着丝粒可能因染色体重排而失活或丢失，并通过在随机异位区域形成新的着丝粒来绕过染色体丢失。到目前为止，关于新着丝粒的形成知之甚少，尽管它与染色体不稳定性和肿瘤发生的驱动因素有关。这是因为新着丝粒的形成是众所周知的难以研究的，因为新着丝粒的形成过程一直难以观察，因为只有在发育障碍或癌症发生时才能确定它们，并进行基因组分析。换句话说，新的着丝粒通常在它们形成和稳定很久之后才被发现。

为了进行着丝粒形成的研究，Yuen博士的团队使用了一种直接、直接的方法:微注射，这是近30年前发展起来的。在其他物种中，例如人类，外来DNA大多被识别和排除，因此不会作为一种自卫机制传播给后代。令人惊讶的是，秀丽隐杆线虫是一种罕见的物种，它允许完全没有任何秀丽隐杆线虫DNA序列的外来DNA融合成一个巨大的、巨型酶大小的人工染色体。简单地说，线虫可以构建不需要自然序列的人工染色体，而来自其他物种的其他人工染色体(如人类(HAC))则不能这样说，它需要一些人类DNA序列才能作为人工染色体构建和繁殖。

为了进一步研究这一独特的特性，该团队开发了一种活体荧光系统，可以实时可视化人工染色体。Yuen博士的实验室使用这种人工染色体分离试验作为从头至尾的着丝粒形成的功能读数，以研究影响着丝粒形成的因素。Lin博士鉴定出组蛋白伴侣RbAp46/48LIN-53和乙酰转移酶HAT-1是着丝粒形成的关键。在这里，秀丽隐杆线虫作为一个稳健的模型，因为其透明的胚胎有助于成像，但也因为其罕见的性质，有效地诱导新生着丝粒形成，并在胚胎的几个细胞周期内忠诚地分离新的人工染色体。

目前对人工染色体的研究为新生着丝粒形成和染色体维持所需的染色体过程提供了新的见解。Yuen博士的团队揭示了外源DNA成为稳定繁殖的人工染色体所必需的体内生物过程，以及从外源DNA片段组装新生着丝粒时所必需的层次结构。为了进一步分析秀丽隐杆线虫采用外源DNA序列的独特特征，Yuen博士的研究小组还探讨了这种现象是否受规则约束，即通过操纵DNA序列的组成、复杂性和长度来观察秀丽隐杆线虫构建人工染色体的偏好。

利用这些方法，我们现在能够观察和系统地比较一个新的着丝粒是如何在人工染色体上建立的，以及一个已经存在的着丝粒是如何在线虫内源性染色体上保持的。

线虫中的人工染色体能成为基因治疗的答案吗?

最后，线虫和人类有什么关系?虽然基因在染色体上的排列顺序在不同密切相关的物种中可能是一致的，但着丝粒的重新定位也会在进化过程中发生。因此，新的着丝粒的形成过程可能是疾病的驱动因素，但同时也是进化的标志。此外,这些研究的结果可以帮助推动合成生物学领域的探索如何优化设计的一些特点建立一个人工染色体通过提高新创着丝粒形成的效率通过准确的隔离改善ACs的应用作为大容量,克隆和基因治疗的忠实载体。

1. Zhongyang Lin, Yichun Xie, Wenyan Nong, Xiaoliang Ren, Runsheng Li, Zhongying Zhao, Jerome Ho Lam Hui, Karen Wing Yee Yuen. Formation of artificial chromosomes in Caenorhabditis elegans and analyses of their segregation in mitosis, DNA sequence composition and holocentromere organization. Nucleic Acids Research, 2021; 49 (16): 9174 DOI: 10.1093/nar/gkab690

2. Zhongyang Lin, Karen Wing Yee Yuen. RbAp46/48LIN-53 and HAT-1 are required for initial CENP-AHCP-3 deposition and de novo holocentromere formation on artificial chromosomes in Caenorhabditis elegans embryos. Nucleic Acids Research, 2021; 49 (16): 9154 DOI: 10.1093/nar/gkab217