在一項新的研究中，來自紐約大學的研究人員利用新的合成DNA技術和干細胞基因組工程技術，構建出人工Hox基因---它們計劃并指導細胞在哪里發育成組織或器官。他們的研究結果證實了Hox基因簇如何幫助細胞學習和記住它們在身體中的位置。相關研究結果發表在2022年7月1日的Science期刊上，論文標題為“Synthetic regulatory reconstitution reveals principles of mammalian Hox cluster regulation”。

Hox基因是身體的建筑師

幾乎所有的動物---從人類到鳥類到魚類---都有一個前后軸，即一條從頭到尾的線。在發育過程中，Hox基因扮演著建筑師的角色，決定了細胞沿這一軸線的走向，以及它們構成的身體部位。Hox基因確保器官和組織在正確的位置發育，形成胸部或將翅膀放在正確的解剖位置上。如果Hox基因因調控不當或突變而不能正常發揮作用，細胞就會丟失，因而在一些癌癥、出生缺陷和流產中起作用。

論文共同通訊作者、紐約大學生物學副教授Esteban Mazzoni說，“我認為如果不了解Hox基因，我們就無法理解發育或**。”

盡管Hox基因在發育中很重要，但研究起來卻很有挑戰性。它們被緊密地組織在一起，在發現它們的DNA序列中只有Hox基因，而在它們周圍沒有其他基因（科學家稱之為“基因沙漠”）。雖然基因組的許多部分都有重復序列，但Hox基因簇沒有這樣的重復序列。這些因素使它們****，但很難在不影響相鄰Hox基因的情況下用傳統的基因編輯方法進行研究。

用合成DNA重新開始

科學家們能否構建出人工的Hox基因來更好地研究它們，而不是依靠基因編輯？Mazzoni解釋說，“我們非常擅長讀取基因組，或對DNA進行測序。而且由于CRISPR，我們可以在基因組中進行小的編輯。但我們仍然不擅長從頭開始編寫。編寫或構建新的基因組片段可以幫助我們測試充分性---在這種情況下，指的是找出一個細胞要知道它在體內的位置所需要的基因組的*小單位。”

Mazzoni與紐約大學格羅斯曼醫學院系統遺傳學研究所所長Jef Boeke合作，后者因合成合成酵母基因組的工作而聞名。Boeke實驗室正在尋求將這項技術應用于哺乳動物細胞。

Boeke實驗室研究生Sudarshan Pinglay通過復制大鼠Hox基因的DNA，構建出較長的合成DNA鏈。然后，這些作者將這些合成DNA鏈遞送到小鼠多能干細胞內的**位置上。使用不同的物種使得他們能夠區分合成的大鼠DNA和小鼠的天然細胞。

Boeke說，“Richard Feynman博士有句名言：‘我不能創造的東西，我不了解。’我們現在離了解Hox又近了一大步。”

研究Hox基因簇

利用小鼠干細胞中的人工Hox DNA，這些作者如今可以探索Hox基因如何幫助細胞學習和記住它們的位置。在哺乳動物中，Hox基因簇被控制Hox基因如何受到激活的調???區域所包圍。人們不知道細胞學習和記住它們所在的位置是需要單獨的Hox基因簇還是Hox基因簇加上其他的DNA序列元件。

圖片來自Science, 2022, doi:10.1126/science.abk2820。

這些作者發現，這些基因密集的Hox基因簇單獨包含了細胞解碼位置信號并記住它所需的所有信息。這表明Hox基因簇的緊湊性質有助于細胞了解它們的位置，這證實了一個長期存在的關于Hox基因的假設，而這個假設以前很難驗證。

合成DNA和人工Hox基因的構建為未來的動物發育和人類**研究鋪平了道路。Mazzoni說，“不同的物種有不同的結構和形狀，這在很大程度上取決于Hox基因簇如何表達。例如，蛇有一個長長的胸部，沒有四肢，而鰩魚沒有胸部，只有四肢。對Hox基因簇的更好理解可能有助于我們了解這些系統如何得到適應和修改，從而產生不同的動物。”

Boeke說，“更廣泛地說，這種合成DNA技術將有助于研究基因組復雜的**，現在我們有了一種方法，可以為它們構建更**的模型。”（生物谷 Bioon.com）