上图：通过显微注射在线虫体内构建人工染色体的形成过程及弥散着丝粒从头形成的细胞途径（当前发现）。下图：线虫人工染色体设计、构建、测序和分析的迭代（Iteration）流程以应用于未来表型筛选与其他应用（如基因治疗）。（图片提供：上图：《核酸研究》，下图：林仲旸。）

(原新闻稿已于10月12日发布)

由香港大学（港大）生物科学学院副教授阮永怡博士所率领的研究小组，最近揭示了人工染色体在模式生物秀丽隐杆线虫胚胎中形成的基本机制。阮永怡博士和博士后研究员林仲旸鉴定出线虫体内将外来DNA组装成人工染色体所需的细胞蛋白质，并揭示了外源DNA 在线虫体内组装成超过 10 兆碱基人工染色体的机制。

研究结果最近于著名科学期刊《核酸研究》(Nucleic Acids Research)上发表。这项研究阐明了新着丝粒（new centromeres）形成的分子基础，有助改进人工染色体的合成效率，为未来基因治疗广开门路。

甚么是人工染色体？为甚么它们是未来医学的关键？

从本质上讲，我们的 DNA 由蛋白质精心包装以构成染色质。如果 DNA 像一根线，那么这些蛋白质就是 DNA 线缠绕的线轴，以在微小的细胞内保持自身的组织性和井然有序的排列。然而，当没有线轴的外来裸DNA线被引入细胞内时会发生甚么状况呢？原来奇妙的细胞会自制线轴来为这条新线提供线轴，使这种裸露的DNA线能够稳定地在细胞环境中维护，作为细胞新功能的一部分。这个过程就是人工染色体 (Artificial Chromosomes) 的形成过程。

人工染色体的应用很大机会可发展成有用的基因治疗。例如，致命的慢性肺病囊性纤维化 (CF) 是由 CFTR 基因突变引起的，目前是一种不治之症。科学家们一直在研究使用细菌和酵母人工染色体（BAC 和 YAC）作为表达正常、功能性 CFTR 基因并克服患者细胞中 CFTR 表达缺陷的载体。就像在日常生活中，要改进某种设备的性能，我们必须先了解它。同样地，为了设计人工染色体，我们必须首先了解它们在细胞内是如何形成及维护。

新染色体的形成和维护，以及着丝粒的重要性

在普通人体内，每天有近两万亿个细胞分裂。这意味着两万亿个细胞每次都必须制作一个完美的自我副本。细胞无法完美分裂可能导致癌症产生。癌症是人类健康迄今为止最大的敌人，而染色体不稳定性则在癌细胞中普遍存在。着丝粒的角色正是确保染色体在细胞分裂过程中精确地遗传。

着丝粒是每条染色体上的一个专门区域，它将染色体连接到纺锤丝微管，以协调每次细胞分裂过程中的染色体分离。在一些癌细胞中，着丝粒可能会因染色体重排而失活或丢失，并通过在随机的异位区域上形成新的着丝粒来避免染色体丢失。到目前为止，尽管新着丝粒（neocentromere）的形成与染色体的不稳定性和肿瘤发生的驱动因素有关，但我们对它形成的过程却不甚了解。这是因为新着丝粒的建立过程几乎是无法被直接观察得到，原因是它们只有在发育障碍或癌症出现后，进行基因组核型分析时才能被鉴定出来。换句话说，新的着丝粒通常在它们形成和稳定后很久才有可能被发现。

为了研究着丝粒形成的过程，阮永怡博士的团队采用了一种直接的方法：通过显微注射将外源 DNA导入线虫的性腺。在其他物种（例如人类）中，外来 DNA 会被宿主免疫系统识别并清除，因此不会遗传给后代。但令人惊讶的是，秀丽隐杆线虫罕见地允许外源DNA 序列融合成一个大的、百万碱基大小的人工染色体并形成着丝粒，而且不需要倚仗线虫基因组序列的参与。然而，在其他物种细胞中，如人类细胞（HAC），则需要该物种自身的DNA序列才能构建和繁衍人工染色体。

 图中为港大生物科学学院副教授阮永怡博士（左）及博士后研究员林仲旸。

为了进一步研究这种独特性，团队开发了一种体内荧光系统来实时追踪人工染色体的形成与分离。阮博士的实验室使用人工染色体的分离试验作为新着丝粒形成的功能读数，以研究影响从头着丝粒建立的因素；林仲旸博士则阐明了组蛋白伴侣 LIN-53 和乙酰转移酶 HAT-1 在人工染色体着丝粒形成中的重要作用。秀丽隐杆线虫作为一个强大的模型，由于其透明的胚胎有利于成像，而且其罕见的性质可以有效地诱导着丝粒从头形成，并在胚胎的几个细胞周期内忠实地分离新的人工染色体。

这项人工染色体研究，为着丝粒的形成和维持染色体稳定遗传提供了新的见解。阮永怡博士的研究揭示了外源DNA成为稳定遗传的人工染色体所必需的生物学过程，并揭示了外源 DNA组装着丝粒的步骤。为了进一步剖析线虫在采用外源DNA序列方面的独特特征，阮永怡团队还通过调整DNA序列的组成、复杂性和长度，以观察线虫中构建人工染色体形成的偏好。通过这些方法，如今我们可以有系统地比较着丝粒建立的过程，并与内源染色体着丝粒的遗传过程相比较，以帮助我们理解如何避免新着丝粒形成。

线虫中的人工染色体能否应用到基因治疗？线虫与人类有甚么联系？

虽然基因在染色体上的排列顺序在不同的密切相关物种中可能是一致的，但着丝粒重新定位在整个进化过程中也时有发生。因此，新着丝粒的形成过程可能是疾病的驱动因素，也可能是物种进化的标志。此外，线虫人工染色体研究的结果有助于推进合成生物学领域优化人工染色体的设计和建立，从而促进人工染色体的应用。例如通过提高人工染色体的准确分离和着丝粒从头形成的效率，使人工染色体在应用于基因复制和进行基因治疗时，可成为搭载高容量遗传信息的可靠载体。

如欲进一步了解最新研究结果，请浏览以下网址：https://doi.org/10.1093/nar/gkab690

可于这里参看另一篇相关论文：https://doi.org/10.1093/nar/gkab217

图⽚下载：https://www.scifac.hku.hk/press