能够在人类细胞内工作的人类人工染色体(HAC)可以为先进的基因疗法提供动力，包括针对某些癌症的疗法以及许多实验室应用，尽管严重的技术障碍阻碍了它们的发展。现在，由宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院的研究人员领导的团队在这一领域取得了重大突破，有效地绕过了一个常见的障碍。
在《科学》杂志上发表的一项研究中，研究人员解释了他们如何设计一种有效的技术，从单个长设计DNA构建体中制造HAC。先前制造HAC的方法受到以下事实的限制：用于制造HAC的DNA构建体往往会以不可预测的长序列和不可预测的重排连接在一起(“多聚化”)。新方法使得HAC的制作更加快速和精确，这反过来又将直接加快DNA研究的速度。随着时间的推移，通过有效的输送系统，这项技术可以为癌症等疾病带来更好的工程细胞疗法。
“本质上，我们对HAC设计和交付的旧方法进行了彻底改革，”宾夕法尼亚大学埃尔德里奇·里维斯·约翰逊基金会生物化学和生物物理学教授BenBlack博士说。“我们构建的HAC对于生物技术应用的最终部署非常有吸引力，例如需要大规模细胞基因工程的应用。一个好处是它们与天然染色体一起存在，而无需改变细胞中的天然染色体。”
第一个HAC于25年前开发出来，对于细菌和酵母等低等生物体的更小、更简单的染色体来说，人工染色体技术已经很先进。人类染色体则是另一回事，主要是因为它们的尺寸更大，着丝粒更复杂，着丝粒是X形染色体臂连接的中心区域。研究人员已经能够通过添加到细胞中的自连接DNA长度来形成小型人造人类染色体，但这些长度的DNA会与不可预测的组织和拷贝数发生多聚化，从而使它们的治疗或科学用途变得复杂化，并且由此产生的HAC有时甚至会终止合并来自宿主细胞的天然染色体片段，使得对它们的编辑变得不可靠。
在他们的研究中，宾夕法尼亚大学医学院的研究人员通过多项创新设计了改进的HAC：其中包括包含更大、更复杂的着丝粒的更大的初始DNA构建体，这使得HAC可以从这些构建体的单个副本形成。为了运送到细胞，他们使用了基于酵母细胞的运送系统，能够携带更大的货物。
“例如，我们没有试图抑制多聚化，而是通过增加输入DNA构建体的大小来绕过这个问题，使其自然地倾向于保持可预测的单拷贝形式，”Black说。
研究人员表明，与标准方法相比，他们的方法在形成可行的HAC方面要有效得多，并且产生的HAC可以在细胞分裂过程中自我繁殖。
人工染色体的潜在优势有很多——假设它们可以很容易地传递到细胞中并像天然染色体一样运作。与基于病毒的基因传递系统相比，它们将为表达治疗基因提供更安全、更高效、更持久的平台，而基于病毒的基因传递系统可以触发免疫反应并涉及有害的病毒插入天然染色体。细胞中的正常基因表达还需要许多局部和远处的调节因子，这些因子实际上不可能在类似染色体的环境之外人工复制。此外，与相对狭窄的病毒载体不同，人工染色体将允许表达大型的、协作的基因集合，例如构建复杂的蛋白质机器。
布莱克预计，他的团队在这项研究中采取的同样广泛的方法将有助于为其他高等生物制造人工染色体，包括用于农业应用的植物，如抗虫高产作物。