随着合成生物学的飞速发展，人类在基因组编辑及设计方面取得了突破性的进展，特别是在大型DNA片段合成与跨物种输送技术上实现了前所未有的突破。传统一直以来，以基因规模为单位的组装方法虽然取得一定成果，但面对上百万碱基（Mb）级别超长DNA片段的准确组装和功能性表达仍然充满挑战。近期，科学家们成功开发出一套全新的方法论，可将合成的、具备完整生物功能的百万碱基规模人类DNA片段精准组装，并直接导入至小鼠早期胚胎中，开启了人类基因组大规模合成和活体功能解析的新纪元。该技术不仅为基础基因组学研究提供了独特平台，也为治疗遗传疾病、定制生物医学模型及合成基因组工程奠定了坚实基础。 在传统的基因合成过程中，往往依赖于分段合成与拼接，核心难题在于对于极其复杂且含有大量重复序列的大片段DNA的高效组装和维持其结构完整性。此外，组装后DNA的稳定保存以及准确无误地导入哺乳动物细胞，特别是早期胚胎细胞中，更是一个技术难点。
对此，研究团队开发了名为SynNICE的革命性方法。它通过在酵母系统中分步组合和高精度编辑，将超过一百万碱基长的合成人类Y染色体AZFa区域成功组装在一条完整染色体上。AZFa区域作为男性不育研究的重要基因调控片段，其在生殖医学中的潜在价值不可估量。而利用酵母这一真核生物高效的同源重组能力，大幅提升了组装效率和准确性，尤其针对高重复的内源性类病毒序列进行了巧妙的缺失设计和标记，确保了构建的稳定性与功能性。 组装完成后，如何将这一庞大且易碎的DNA构造有效地输入鼠卵母细胞，成为另一重大瓶颈。传统方法使用裸DNA片段转染或电转染不仅效率低，且频繁破损、难以维持原有染色质结构。
针对这一痛点，团队设计了一套NICE（核质分离技术）方案，通过机械裂解和精细的酶抑制措施，高效分离酵母细胞中的核质，同时保持DNA和染色体的完整结构。随后，这些直接包含目标染色体的酵母核被用于显微注射入小鼠MII期卵母细胞。该步骤的创新之处在于利用整核结构保护DNA免遭物理损伤和酶降解，保证合成染色体能够完整地进入宿主细胞内部，为后续细胞内表观遗传修饰和基因表达创造条件。 进入小鼠胚胎后的合成人类DNA表现出了惊人的“重塑”能力。研究发现，尽管最初该DNA被酵母核小体包裹，随着时间进展，小鼠自身的组蛋白H3.3和H2B会迅速替代原有的酵母核小体，形成更适合哺乳动物染色质状态的结构。此外，研究以免疫荧光和全基因组双硫化测序等多组学手段，剖析了这期间合成DNA的去甲基化和再甲基化过程，揭示了小鼠胚胎中去新甲基化修饰的高度选择性，显著富集于重复序列区域，而非随机分布。
这种现象再现了哺乳动物早期发育中基因组甲基化动态调控的经典特征。通过药物干预揭示，DNA甲基化水平的变化直接影响了合成区域关键基因的激活时机和表达强度，说明表观遗传修饰的建立对外源合成基因组功能调控具有决定性作用。 除了基因和表观遗传层面的调控，合成DNA的三维基因组构象也被证实在小鼠细胞核内以特定方式进行折叠和空间配置。Hi-C染色质免疫沉淀技术展现了合成巨型染色体在宿主细胞核中的局部自我交互强烈，而与宿主染色体的整体交互有限。这一观察不仅揭示了异源DNA在跨物种环境中的空间调控策略，也为未来合成人源染色体的染色体工程和功能材料设计提供了重要参考。与此同时，多组学数据中并未见显著的宿主细胞毒性或代谢负担，显示该技术具备良好的生物相容性和稳定性，具备广泛的应用潜力。
这一创新研究的临床与研究价值显著。人类Y染色体区域的精确合成和功能验证为研究男性不育及相关疾病机理提供了前所未有的工具和模型。通过合理设计合成序列并导入鼠模型，科学家可深入探讨表观遗传修饰对特定基因调控的从零起点影响，推动疾病机制与治疗靶点的精准阐释。此外，该技术的通用性暗示，未来合成更多复杂人类基因组区域、甚至整条染色体并在包括人类干细胞在内的多种哺乳动物模型中实施，将成为现实，为人类基因组编写乃至“生物黑客”注入强劲动力。 科研工作的成功离不开跨学科的协作。从化学合成DNA片段的精准设计，到酵母细胞的基因组工程，再到哺乳动物细胞的高度精细操作，反映出现代生物学融合分子生物学、基因工程、发育生物学与生物信息学等多领域的复合创新能力。
此外，研究所采用的先进测序技术和高分辨成像技术为数据准确性和多维度验证提供了坚实保障。透过这些高精尖技术的融合应用，构建出了整合性极强的跨物种表达与调控体系。 面对未来，仍有诸多挑战与机遇。一方面，如何进一步提高更大规模合成DNA装载效率，保证其复制、稳定传递与功能表达，是下一个技术攻坚点。另一方面，优化兼容性良好的载体系统、消除宿主间不良交互影响、以及实现体内长期稳定表达和遗传传递，亦是不可忽视的研究课题。同时，伦理规范、安全控制和社会接受度也将在这类前沿技术推广过程中发挥重要作用。
相关政策制定需同步推进，确保科学进展造福人类的同时，降低潜在风险。 总之，百万碱基规模人类DNA的合成组装与跨物种输送技术，突破了传统基因组工程中的重重瓶颈，开启了全新生物学实验和临床应用的可能性。作为合成生物学的重要里程碑，SynNICE技术不仅助力人类对基因组表观遗传动态机制的深入理解，也为未来精准医疗、功能基因组学和生物信息存储等多领域的发展铺设了坚实道路。随着技术的不断成熟及应用拓展，有望引领生命科学迈入“基因组书写”新时代，赋能人类健康与生物科技新突破。
