Science：利用合成DNA技术揭示Hox基因簇调节机制

在一项新的研究中，来自纽约大学的研究人员利用新的合成DNA技术和干细胞基因组工程技术，构建出人工Hox基因---它们计划并指导细胞在哪里发育成组织或器官。他们的研究结果证实了Hox基因簇如何帮助细胞学习和记住它们在身体中的位置。相关研究结果发表在2022年7月1日的Science期刊上，论文标题为“Synthetic regulatory reconstitution reveals principles of mammalian Hox cluster regulation”。

Hox基因是身体的建筑师

几乎所有的动物---从人类到鸟类到鱼类---都有一个前后轴，即一条从头到尾的线。在发育过程中，Hox基因扮演着建筑师的角色，决定了细胞沿这一轴线的走向，以及它们构成的身体部位。Hox基因确保器官和组织在正确的位置发育，形成胸部或将翅膀放在正确的解剖位置上。如果Hox基因因调控不当或突变而不能正常发挥作用，细胞就会丢失，因而在一些癌症、出生缺陷和流产中起作用。

论文共同通讯作者、纽约大学生物学副教授Esteban Mazzoni说，“我认为如果不了解Hox基因，我们就无法理解发育或疾病。”

尽管Hox基因在发育中很重要，但研究起来却很有挑战性。它们被紧密地组织在一起，在发现它们的DNA序列中只有Hox基因，而在它们周围没有其他基因（科学家称之为“基因沙漠”）。虽然基因组的许多部分都有重复序列，但Hox基因簇没有这样的重复序列。这些因素使它们独一无二，但很难在不影响相邻Hox基因的情况下用传统的基因编辑方法进行研究。

用合成DNA重新开始

科学家们能否构建出人工的Hox基因来更好地研究它们，而不是依靠基因编辑？Mazzoni解释说，“我们非常擅长读取基因组，或对DNA进行测序。而且由于CRISPR，我们可以在基因组中进行小的编辑。但我们仍然不擅长从头开始编写。编写或构建新的基因组片段可以帮助我们测试充分性---在这种情况下，指的是找出一个细胞要知道它在体内的位置所需要的基因组的最小单位。”

Mazzoni与纽约大学格罗斯曼医学院系统遗传学研究所所长Jef Boeke合作，后者因合成合成酵母基因组的工作而闻名。Boeke实验室正在寻求将这项技术应用于哺乳动物细胞。

Boeke实验室研究生Sudarshan Pinglay通过复制大鼠Hox基因的DNA，构建出较长的合成DNA链。然后，这些作者将这些合成DNA链递送到小鼠多能干细胞内的精确位置上。使用不同的物种使得他们能够区分合成的大鼠DNA和小鼠的天然细胞。

Boeke说，“Richard Feynman博士有句名言：‘我不能创造的东西，我不了解。’我们现在离了解Hox又近了一大步。”

研究Hox基因簇

利用小鼠干细胞中的人工Hox DNA，这些作者如今可以探索Hox基因如何帮助细胞学习和记住它们的位置。在哺乳动物中，Hox基因簇被控制Hox基因如何受到激活的调节区域所包围。人们不知道细胞学习和记住它们所在的位置是需要单独的Hox基因簇还是Hox基因簇加上其他的DNA序列元件。

图片来自Science, 2022, doi:10.1126/science.abk2820。

这些作者发现，这些基因密集的Hox基因簇单独包含了细胞解码位置信号并记住它所需的所有信息。这表明Hox基因簇的紧凑性质有助于细胞了解它们的位置，这证实了一个长期存在的关于Hox基因的假设，而这个假设以前很难验证。

合成DNA和人工Hox基因的构建为未来的动物发育和人类疾病研究铺平了道路。Mazzoni说，“不同的物种有不同的结构和形状，这在很大程度上取决于Hox基因簇如何表达。例如，蛇有一个长长的胸部，没有四肢，而鳐鱼没有胸部，只有四肢。对Hox基因簇的更好理解可能有助于我们了解这些系统如何得到适应和修改，从而产生不同的动物。”

Boeke说，“更广泛地说，这种合成DNA技术将有助于研究基因组复杂的疾病，现在我们有了一种方法，可以为它们构建更精确的模型。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Sudarshan Pinglay et al. Synthetic regulatory reconstitution reveals principles of mammalian Hox cluster regulation. Science, 2022, doi:10.1126/science.abk2820.