合成兆碱基尺度人类DNA的从头组装与递送技术揭示表观遗传调控新机制

研究人员开发了SynNICE方法，成功组装并递送1.14-Mb合成人类AZFa区域至小鼠早期胚胎，首次观察到合成DNA在跨物种环境中的自发组蛋白整合、DNA甲基化建立及转录调控过程。该技术为研究高等动物中表观基因组(epigenome)的从头调控机制提供了全新平台，解决了天然染色体固有表观标记难以清除的研究瓶颈。

在生命科学领域，表观遗传修饰如何从零建立始终是未解之谜。天然染色体上的DNA甲基化(DNA methylation)和组蛋白修饰(histone modifications)如同层层叠叠的"分子记忆"，世代相传难以抹除。这种固有特性使得科学家们难以像在空白画布上作画那样，观察表观标记最初是如何被"绘制"到DNA上的。尤其对于人类Y染色体上高度重复的AZFa区域——这个与男性不育直接相关的基因座，其表观调控机制更如同蒙着面纱。

天津大学的研究团队在《Nature Methods》发表突破性成果。他们开发了名为SynNICE的革命性技术，首次实现合成兆碱基(Mb)尺度人类DNA的精确组装与活体递送。这项研究通过构建1.14-Mb人工AZFa(hAZFa)区域，将其递送至小鼠早期胚胎，如同安装了一个"表观遗传监控摄像头"，首次全程记录了外源DNA在哺乳动物细胞环境中被重新"驯化"的过程。

关键技术包括：1)组合式组装策略实现高度重复序列的Mb级DNA合成；2)核分离染色体提取(NICE)技术保持染色体结构完整；3)单细胞多组学分析追踪表观修饰动态；4)使用人源AZFa和小鼠胚胎模型研究跨物种表观调控。

【De novo assembly of Mb-scale highly repetitive human DNA】
研究团队采用三步组合策略：首先将233个5.5-kb片段组装成23个40-71 kb大片段，再整合为4个268-331 kb模块，最终通过CRISPR辅助的酵母交配获得完整1.14-Mb hAZFa。

【Mb-scale human DNA exhibits higher-order chromatin structure in yeast】
Hi-C分析显示hAZFa在酵母中形成独立互作结构域，转录组和蛋白质组证实其对宿主影响微小，为后续递送奠定基础。

【Isolation of yeast nuclei containing intact Mb-scale human DNA】
创新的NICE技术通过添加DNA酶抑制剂和亚精胺，成功分离保持染色体结构的酵母细胞核，解决了大DNA分子易降解的难题。

【Delivery of intact synthetic Mb-scale DNA into mouse embryos】
显微注射后，小鼠组蛋白H3.3和H2B在1小时内自发整合到酵母核DNA上，且不依赖受精过程。

【De novo DNA methylation of synthetic human DNA】
全基因组甲基化测序(WGBS)揭示：46.35%的CpG位点在单细胞期被甲基化，76.84%集中于重复序列，显著高于基因组平均水平。

【Gene expression in mouse early embryos】
RNA-seq显示hAZFa基因在四细胞期开始转录，DNA甲基化抑制剂5-azadC可使其提前至二细胞期表达，证实甲基化对转录时序的调控作用。

这项研究建立了合成基因组研究的全新范式：首次证明高等动物细胞能识别并调控"陌生"的Mb级人工DNA；发现重复序列优先甲基化的全新规律；揭示DNA甲基化独立于H3K9me3建立的全新机制。SynNICE技术为染色体工程、基因治疗和表观遗传研究提供了强大工具，未来或可应用于人工染色体构建和表观遗传疾病的干预研究。正如审稿人所评："这项研究标志着合成生物学从'基因书写'迈入了'表观编程'的新纪元"。