人类基因蓝图看似简单。我们的基因紧密缠绕在 46 个 X 形结构中，称为染色体。它们通过进化而形成，携带 DNA 并在细胞分裂时进行复制，确保我们的基因组在世代相传中的稳定性。
1997 年，一项研究推翻了进化论。 首次，一个团队利用基因工程创造了人造人类染色体。当人工染色体被输送到培养皿中的人类细胞中时，其行为与天然染色体非常相似。它随着细胞分裂而复制，形成具有 47 条染色体的人类细胞。
请放心，我们的目标不是人工进化我们的物种。相反，人工染色体可用于将大量人类遗传物质或基因编辑工具携带到细胞中。与当前的传递系统（病毒载体或纳米粒子）相比，人工染色体可以包含更多的合成 DNA。
理论上，它们可以被设计为将治疗基因传递给患有遗传性疾病的人，或者添加抗癌的保护基因。
然而，尽管经过二十多年的研究，该技术尚未进入主流。其中一项挑战是，连接形成染色体的短 DNA 片段一旦进入细胞就会粘在一起，因此很难预测基因的行为方式。
这个月， 一项新的研究 来自宾夕法尼亚大学的研究人员改变了25年前的配方，构建了新一代人工染色体。与之前的染色体相比，新染色体更容易设计，并且使用更长的 DNA 片段，一旦进入细胞就不会聚集。它们也是一个大型载体，理论上可以将大约最大酵母染色体大小的遗传物质运送到人类细胞中。
“本质上，我们对 HAC（人类人工染色体）设计和交付的旧方法进行了彻底改革，”研究作者 Ben Black 博士 说过 在新闻稿中。
“这项工作可能会重振在动物和植物中设计人工染色体的努力，” 写 乔治亚大学的 R. Kelly Dawe 博士没有参与这项研究。
你的形状
自 1997 年以来，人工基因组已成为一项成熟的生物技术。它们已被用来重写细菌、酵母和植物中的 DNA，从而产生可以合成救生药物或药物的细胞。 吃塑料。它们还可以帮助科学家更好地了解散落在我们基因组中的神秘 DNA 序列的功能。
该技术还带来了第一个合成生物体。 2023年底，科学家 显露的酵母细胞 一半的基因被人工 DNA 取代——该团队希望最终定制每一条染色体。今年早些时候， 另一项研究中 改造了植物染色体的一部分，进一步突破了合成生物的界限。
通过修改染色体的结构（例如，砍掉可疑的无用区域），我们可以更好地了解它们的正常功能，从而有可能导致疾病的治疗。
构建人类人工染色体的目标不是设计合成人类细胞。相反，这项工作旨在推进基因治疗。目前将治疗基因或基因编辑工具携带到细胞中的方法依赖于病毒或纳米颗粒。但这些承运人的货运能力有限。
如果说当前的运载工具就像帆船，那么人造人类染色体就像货船，能够携带更多、更广泛的基因。
问题？它们很难建造。与呈圆形的细菌或酵母染色体不同，我们的染色体就像一个“X”。每个细胞的中心都有一个称为着丝粒的蛋白质中心，它允许染色体在细胞分裂时分离和复制。
在某种程度上，着丝粒就像一个纽扣，可以保持磨损的织物片（染色体的臂）完好无损。早期构建人类人工染色体的努力主要集中在这些结构上，提取可以在人类细胞内表达蛋白质的 DNA 字母来锚定染色体。然而，这些 DNA 序列像双面胶带一样迅速粘在一起，最终形成球状，使细胞难以接触到添加的基因。
原因之一可能是合成的 DNA 序列太短，导致微型染色体成分不可靠。这项新研究通过设计比以前大得多的人类染色体组装来测试这个想法。
八是幸运数字
该团队将人类人工染色体设计为圆形，而不是 X 形染色体，这与酵母中的复制兼容。这个圆圈包含了 760,000 个 DNA 字母对——大约是整个人类染色体大小的 1/200。
圆圈内有基因指令，用于制造更坚固的着丝粒——保持染色体结构完整并使其复制的“按钮”。一旦在酵母细胞内表达，按钮就会招募酵母的分子机制来构建健康的人类人工染色体。
合成的人类染色体在酵母细胞中最初呈环状，然后可以通过称为细胞融合的过程直接传递到人类细胞中。科学家们通过化学处理去除了酵母细胞周围的“包装”，使细胞成分（包括人工染色体）直接融入培养皿内的人体细胞中。
就像仁慈的外星人一样，添加的合成染色体愉快地整合到人类宿主细胞中。这些圆圈并没有聚集成有毒的碎片，而是折叠成八字形，着丝粒将这些圆圈固定在一起。人工染色体与天然 X 形染色体愉快地共存，没有改变它们的正常功能。
对于基因治疗来说，即使细胞分裂，任何添加的基因也必须保留在体内，这一点至关重要。这种好处对于癌症等快速分裂的细胞尤其重要，因为它们可以快速适应治疗。如果合成染色体中充满了已知的抗癌基因，它就可以在一代又一代的细胞中控制癌症和其他疾病。
人造人类染色体通过了测试。他们从人类宿主细胞中招募蛋白质来帮助它们在细胞分裂时传播，从而在世代中保存人工基因。
复兴
自第一条人类人工染色体以来，情况发生了很大变化。
CRISPR 等基因编辑工具使重写我们的基因蓝图变得更加容易。针对特定器官或组织的递送机制正在兴起。但合成染色体可能会重新受到人们的关注。
与病毒载体（基因治疗或基因编辑最常用的传递工具）不同，人工染色体无法进入我们的基因组并破坏正常的基因表达，这使得它们可能更安全。
但该技术存在漏洞。当细胞分裂时，工程染色体仍然经常丢失。位于着丝粒（染色体的“按钮”）附近的合成基因也可能会破坏人工染色体在细胞分裂时复制和分离的能力。
但对 Dawe 来说，这项研究比单独的人类细胞具有更大的意义。这项研究中展示的重新设计着丝粒的原理可用于酵母，并有可能“适用于所有生物体”。
该方法可以帮助科学家更好地模拟人类疾病或生产药物和疫苗。更广泛地说，“可能很快就有可能将人工染色体作为不断扩大的工具包的一部分，以应对与医疗保健、牲畜以及食品和纤维生产相关的全球挑战，”他写道。
