賓州大學的研究人員在人類人工染色體技術方面取得了重大突破，開發了一種簡化人類人工染色體建構的新方法。這項創新有望加速DNA 研究，並將對基因治療和生物技術產生重大影響，為目前的基因傳遞系統提供可靠的替代方案，並擴大基因工程在各個領域的應用潛力。研究人員指出，這項技術將提高實驗室研究效率，並擴大基因治療範圍。

能在人體細胞內發揮作用的人造人類染色體有可能徹底改變基因療法包括某些癌症的治療方法，並且有許多實驗室用途。然而，巨大的技術挑戰阻礙了它們的發展。

現在，賓州大學佩雷爾曼醫學院研究人員領導的團隊在這一領域取得了重大突破，有效地繞開了一個常見的絆腳石。

在最近發表在《科學》（Science）雜誌上的一項研究中，研究人員解釋了他們是如何設計出一種高效技術，利用單一長的設計DNA構建體來製造HACs的。先前製造HACs 的方法一直受到以下事實的限制：用於製造HACs 的DNA 構建體往往會以不可預測的長序列和不可預測的重排方式連接在一起–“多聚化”。新方法可以更快、更精確地製作HAC，從而直接加快DNA 研究的速度。假以時日，再加上有效的傳輸系統，這項技術就能為癌症等疾病帶來更好的工程細胞療法。

全面改造HAC 設計

賓州大學生物化學與生物物理學艾爾德里奇-里夫斯-約翰遜基金會教授本-布萊克（Ben Black）博士說：「從根本上說，我們徹底改變了HAC設計和輸送的舊方法。我們製造的HAC 對於生物技術應用的最終部署非常有吸引力，例如，需要對細胞進行大規模基因工程的應用。另一個好處是，它們與天然染色體同時存在，而無需改變細胞中的天然染色體。”

首批人工染色體組是25 年前開發的，人工染色體組技術在細菌和酵母等低等生物較小、較簡單的染色體方面已經非常先進。而人類染色體則是另一回事，這主要是因為人類染色體的體積較大，中心粒（即X 型染色體臂連接的中心區域）較為複雜。研究人員已經能夠用添加到細胞中的自連接DNA長度來形成小型的人造人類染色體，但這些DNA長度的多聚體具有不可預測的組織和拷貝數–這使它們的治療或科學用途變得複雜，而且由此產生的HAC有時甚至最終結合了宿主細胞中的天然染色體位點，使對它們的編輯變得不可靠。

在他們的研究中，賓州大學醫學院的研究人員透過多種創新設計出了改進的HAC：其中包括含有更大、更複雜中心粒的更大初始DNA 構建體，這使得HACs 能夠從這些構建體的單一拷貝中形成。在向細胞遞送時，他們使用了一種基於酵母細胞的遞送系統，該系統能夠攜帶更大的負荷。

布萊克說：”例如，我們沒有試圖抑制多聚化，而是繞過了這個問題，增加了輸入DNA 構建的大小，使其自然傾向於保持可預測的單拷貝形式。”

研究人員的研究表明，與標準方法相比，他們的方法能更有效地形成有活力的HAC，並能產生在細胞分裂過程中能自我繁殖的HAC。

優勢和未來應用

人工染色體的潛在優勢有很多–假定它們可以很容易地輸送到細胞中，並且像天然染色體一樣運作。與基於病毒的基因遞送系統相比，人工染色體將為表達治療基因提供更安全、更有效率、更持久的平台，而基於病毒的基因遞送系統可能會引發免疫反應，並涉及有害的病毒插入天然染色體。細胞中正常的基因表現還需要許多局部和遠距離的調控因子，而這些因子幾乎不可能在類似染色體的環境之外進行人工複製。此外，人工染色體與相對狹窄的病毒載體不同，它允許表達大型、合作性的基因組合，例如建構複雜的蛋白質機器。

布萊克預計，他的研究小組在這項研究中採用的同樣廣泛的方法將有助於為其他高等生物製造人工染色體，包括用於農業應用的植物，如抗蟲、高產作物等。

編譯自: ScitechDaily