《Science》人造DNA，实现细胞组织器官发育引导

他们的发现发表在《Science》杂志上，证实了Hox基因集群如何帮助细胞学习和记忆它们在体内的位置。

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，或一条从头到尾的线。在发育过程中，Hox基因扮演着建筑师的角色，决定细胞沿着轴线的走向，以及它们组成的身体部位。Hox基因确保器官和组织在正确的位置发育，形成胸腔或将翅膀放在正确的解剖位置。

如果Hox基因由于调控不当或突变而失效，细胞就会丢失，在某些癌症、出生缺陷和流产中发挥作用。

“我认为，如果不了解Hox基因，我们就无法理解发育或疾病，”纽约大学生物学副教授、该研究的资深合著者Esteban Mazzoni说。

尽管同源基因在发育过程中具有重要意义，但其研究仍具有挑战性。它们紧密地聚集在一起，在它们被发现的DNA片段中只有Hox基因，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的元素，Hox集群却没有这样的重复。这些因素使它们具有独特性，但很难用传统的基因编辑技术在不影响相邻Hox基因的情况下进行研究。

用合成DNA重新开始

科学家能否创造出人造Hox基因来更好地研究它们，而不是依赖于基因编辑?

“我们非常擅长解读基因组或DNA测序。多亏了CRISpR，我们可以对基因组进行小的编辑。但我们仍然不擅长从头开始写作，”Mazzoni解释道。“编写或构建基因组的新片段可以帮助我们测试其充分性——在这种情况下，找出一个细胞知道它在体内的位置所必需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Jeff Boeke合作，Boeke以合成酵母基因组而闻名。Boeke的实验室希望将这项技术应用于哺乳动物细胞。

Boeke实验室的研究生Sudarshan pinglay通过复制大鼠Hox基因的DNA，制造了合成DNA的长链。然后，研究人员将DNA送到小鼠多能干细胞内的一个精确位置。使用不同的物种使研究人员能够区分合成的大鼠DNA和小鼠的自然细胞。

“理查德·费曼(Richard Feynman)博士有句名言:‘我不能创造我不理解的东西。’我们现在离了解Hox又近了一大步，”Boeke说，他也是纽约大学格罗斯曼分校的生物化学和分子药理学教授，也是该研究的资深合著者。

研究Hox集群

通过在小鼠干细胞中植入人造Hox DNA，研究人员现在可以探索Hox基因如何帮助细胞学习和记忆它们所在的位置。在哺乳动物中，Hox集群被控制Hox基因如何被激活的调控区域所包围。对于细胞学习和记住它们所在的位置，究竟是只需要簇还是簇加上其他元素是未知的。

研究人员发现，仅这些基因密集的簇就包含了细胞解码和记忆位置信号所需的所有信息。这表明，Hox基因簇紧凑的特性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和人造Hox基因的创造为未来动物发育和人类疾病的研究铺平了道路。

“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集群是如何表达的。例如，蛇是没有四肢但有长胸，而鳐鱼没有胸腔，只有四肢。更好地了解Hox集群可能有助于我们了解这些系统如何适应和修改，以产生不同的动物，”Mazzoni说。

Boeke说:“从更广泛的意义上说，我们已经为这种合成DNA技术建立了一个工厂，它将有助于研究基因组复杂的疾病，现在我们有了一种方法，可以为这些疾病制造更精确的模型。”

Sudarshan pinglay, Milica Bulajić, Dylan p. Rahe, Emily Huang, Ran Brosh, Nicholas E. Mamrak, Benjamin R. King, Sergei German, John A. Cadley, Lila Rieber, Nicole Easo, Timothée Lionnet, Shaun Mahony, Matthew T. Maurano, Liam J. Holt, Esteban O. Mazzoni, Jef D. Boeke. Synthetic regulatory reconstitution reveals principles of mammalianHoxcluster regulation. Science, 2022; 377 (6601)