在遗传学和合成生物学的交汇处，一项开创性的技术成果引起了广泛关注：科学家们成功实现了对百万碱基（Mb）规模的合成、组装以及将人类DNA片段递送至小鼠早期胚胎的全过程。这一颠覆传统的技术不仅突破了大型基因组片段在操作上的技术难题，也为研究复杂的基因调控网络和表观遗传机制提供了全新的实验平台。过去，基因组重构和合成主要集中于较小的基因或调控元件，规模往往局限于数十至数百千碱基（kb）。然而，基因组在功能上呈现高度的空间和时间依赖特性，单个基因或小片段难以体现多基因及其非编码调控序列的复杂协同效应。因此，迈向百万碱基甚至更大规模的连续DNA片段合成与操控，是解析生物机理、开发基因组写作技术的关键前提。新研发的方法，名为SynNICE（Synthetic Nucleus Isolation for Chromosomes Extraction），开创了一套高效精准的策略，将化学合成的百万碱基级人类染色体区域分段组装于酵母细胞中，再通过特定的核分离技术保护完整基因组结构，实现无损抗性递送到小鼠早期胚胎中。
该方法充分利用酿酒酵母作为组装平台的优势，克服了众多传统细菌载体中存在的序列不稳定、体外易断裂、甲基化干扰等问题，使得对高重复序列及复杂结构的DNA片段实现精准拼接成为可能。作为研究对象的人类AZFa区域，位于男性Y染色体，约1.14 Mb大小，该区域因其与男性无精症密切相关，且书写过程涉及大量高度重复序列，成为合成技术的理想挑战。研究者将该靶区拆分为数百个约5.5 kb左右的短片段，化学合成后利用酵母的同源重组机制分步组合为四个大型片段，再通过酵母交配结合CRISPR-Cas9切割技术，成功完成百万碱基级完整结构的构建。组装后的合成人类AZFa片段稳定存在于酵母中数百代，且对宿主酵母的生长和基因表达影响微弱，显示出良好的序列兼容性和结构稳定性。以高通量测序、基因表达组、蛋白质组及三维染色体构象分析等多组学手段进一步确认了该合成染色体在酵母内呈现出独特的高阶染色质结构，同时拥有部分活跃的染色质标记，但几乎无完整人类基因的表达，提示该系统主要作为合成DNA的稳定载体。为了保护大型合成染色体不被物理剪切及酶降解，研究团队创新开发了NICE技术，通过利用特定缓冲液成分抑制核酸酶活性，维持染色体高度凝聚状态，并结合密度梯度离心精准分离出酵母细胞核。
经优化后，分离出的细胞核中95%以上保存完整的合成AZFa DNA，同时保留包含酵母组蛋白的染色质结构。基于此，高质量的酵母细胞核得以作为递送载体，绕过了DNA提纯和裸DNA转染效率低下的问题。随后，借助微操作技术，研究者将分离纯化的酵母细胞核注入到小鼠成熟卵母细胞（MII期卵细胞）中，并进行活化培养，跟踪观察合成人类DNA在小鼠胚胎发育过程中的组蛋白替换、染色质重塑及表观遗传变化。显著的是，注射后的人类合成DNA迅速被小鼠源性组蛋白H3.3和H2B替代，显示跨物种组蛋白组装机制的高度保守与灵活性。与此同时，研究发现该区段DNA在早期胚胎中经历了去甲基化与重新甲基化过程，且新建立的DNA甲基化明显富集于重复序列，伴随5-羟甲基胞嘧啶（5hmC）的标记，提示小鼠细胞能够对合成DNA进行原位的精细表观遗传调控。相比于人类精子及合成酵母状态中近乎无甲基化的DNA，注入小鼠一细胞胚胎后的合成AZFa域DNA甲基化水平达到接近50%。
这表明DNA甲基化的建立并非随机事件，而是具备序列依赖性，主要集中于维持基因组稳定性和抑制潜在转座元件的重复序列区域。更进一步，转录组分析显示合成AZFa区段的部分基因在小鼠胚胎的四细胞阶段开始表达，时间点与相应的小鼠内源基因表达同步，表明合成的跨物种基因能够被新生染色质环境所识别并正确调控。通过抑制DNA甲基转移酶（DNMT）的药物处理，则显著提前激活部分基因表达，说明DNA甲基化在调节合成DNA区域基因表达具有抑制性作用。此外，阻断Ten-eleven转化酶（TET）酶家族活性导致基因表达下降，突显出DNA甲基化修饰及其动态调控在胚胎发育中所扮演的重要角色。这套系统不仅为研究天然基因组以外的合成区域如何被细胞核内环境识别和调控提供了独特的平台，也为未来通过精准基因组写作技术介入治疗遗传疾病开辟了新思路。展望未来，利用SynNICE技术传递多段合成人类染色体，有望实现全染色体乃至完整人类基因组的逐步重建，从而深入理解不同基因组片段间的协同作用网络与跨尺度的遗传调控机制。
此外，该方法或能助力人类人工染色体（HAC）的开发与应用，为基因治疗、再生医学、疾病模型构建提供强大工具。总之，合成百万碱基规模的人类DNA片段并成功递送至小鼠胚胎，开启了基因组工程和表观遗传学研究的新纪元。技术的突破背后，彰显了合成生物学领域对未来生命科学的深远影响，也预示了高阶基因组写作技术将引领生物医学研究进入更加广阔的天地。随着技术的不断成熟与优化，合成基因组学有望助力人类深度解析遗传信息的功能密码，推动精准医疗的革新和生命科学的跨越式发展。
