人工染色体指人工构建的含有天然染色体基本功能单位的载体系统。包括酵母人工染色体（YAC）、细菌人工染色体（BAC）以及后来的人类人工染色体（HAC）和植物人工染色体（PAC）等多种类型。人工染色体的出现，为基因组图谱制作，基因图位克隆，动物的基因治疗，植物的多基因转化提供了有用的工具。

酵母人工染色体（Yeast artificial chromosome, YAC）

1983年，Murray和Szostak[1]在大肠杆菌质粒pBR322中插入酵母的着丝粒、自主复制序列、选择性标记及四膜虫核糖体RNA基因rDNA（Tr）末端序列，并转化酵母菌，构建成了酵母人工染色体。YAC载体一般能够容纳500 kb，甚至1 Mb大小的染色体片段[2, 3]。目前，在多种高等生物中均构建了高质量的YAC文库。YAC可用于大规模基因组测序和物理图谱构建。例如，美国科学家利用YAC完成了人Y染色体及21q的物理图谱并进行了相应的测序工作[4]。然而，YAC具有一些缺陷，克隆外源基因易出现嵌合体；部分克隆不稳定，在传代培养中可能会发生缺失或重排；YAC与酵母染色体具有相似的结构，因此难与酵母染色体区分开[2, 3]。

细菌人工染色体（Bacterial artificial chromosome, BAC）

细菌人工染色体(BAC)是一种承载DNA大片段的克隆载体系统，具有插入片断大、嵌合率低、遗传稳定性好、易于操作等优点。BAC构建的基础是E. coli及F因子。包含一个氯霉素抗性标记，一个严谨型控制的复制子oriS，一个易于DNA复制的ATP驱动的解旋酶（RepE）以及3个确保低拷贝质粒精确分配至子代细胞的基因座（parA、parB和parC）[5]。大多数BAC文库中插入片段平均大小约120 kb，最大可达300 kb[6]。由于BAC载体在一个细菌细胞中只有1~2个拷贝，因此极少出现重排-嵌合现象。BAC的应用很广，已相继建立了几十种动植物包括大豆[7]、玉米[8]、小麦[9]、水稻[10]、高粱[11]、大麦[12]等的基因组文库。目前已广泛应用于物理图谱构建，基因图位克隆，基因组测序等研究工作中[6]。

人类人工染色体（Human artificial chromosome, HAC）

Harringotn 等[13]利用来源于人类17号染色体的卫星DNA体外连接构建成了长约1 Mb的人工着丝粒，并将其和端粒序列以及部分基因组DNA相连构建了第一个人类人工染色体。目前有4种不同的HAC构建策略，包括从头合成组装法（bottom up），端粒介导的截短法（top-down），天然微小染色体改造法和从头染色体诱导合成法[14]。

端粒位于染色体的末端，其保护了染色体稳定性[15]。它由串联排列的高度保守核苷酸序列和结合蛋白质组成。许多多细胞真核生物的端粒序列都已被克隆[16-18]。在真核生物中，端粒基序通常是5到8碱基长，而且高度保守。这些重复序列与蛋白质结合形成了具有保护作用的核酸-蛋白复合物。而且端粒重复序列可以与端粒酶结合，以进行染色体的末端复制，避免染色体的长度由于细胞分裂而逐渐变短[19]。

通过将克隆到的人端粒序列转化到哺乳动物细胞中验证端粒功能，发现新转入的端粒序列能够在染色体上产生新的端粒[20, 21]。断裂的染色体可以通过生殖系传递而具有遗传性[20, 22]。应用端粒介导的染色体切割技术在动物中产生小染色体，已经发展成一种动物人工染色体平台：含有端粒的动物载体靶入到体细胞染色体上，由于端粒的存在而介导染色体在端粒处发生切割，不含着丝粒的染色体片段在细胞分裂时丢失，而含有着丝粒的染色体片段则形成了独立的小染色体[22, 23]。

目前科学家利用端粒介导截短法成功构建了HAC，然后通过同源重组等方法向 HAC中插入各种用途的基因序列，已经用于基因治疗和医疗蛋白的生产[24]。

植物人工染色体（Plant artificial chromosome, PAC）

与HAC相比，植物人工染色体的研究起步较晚，目前植物人工染色体的构建主要基于两种策略，第一种是自下而上的策略－“组装法”，即在细胞内或者细胞外将着丝粒DNA、端粒DNA以及复制原点装配在一起，从而构建植物人工染色体。第二种是自上而下的策略－“截短法”，即将外源端粒DNA整合入植物染色体，可将该染色体截断，同时在断端产生新的端粒。目前在玉米、拟南芥、大麦和水稻中发展了这种端粒介导的染色体切割体系。

1. Murray, A.W. and J.W. Szostak, Construction of artificial chromosomes in yeast. Nature, 1983. 305(5931): p. 189-93.

2. Bellis, M., et al., Construction and characterization of a partial library of yeast artificial chromosomes from human chromosome 21. DNA Cell Biol, 1991. 10(4): p. 301-10.

3. Green, E.D., et al., Detection and characterization of chimeric yeast artificial-chromosome clones. Genomics, 1991. 11(3): p. 658-69.

4. Roberts, L., Two chromosomes down, 22 to go. Science, 1992. 258(5079): p. 28, 30.

5. Shizuya, H., et al., Cloning and stable maintenance of 300-kilobase-pair fragments of human DNA in Escherichia coli using an F-factor-based vector. Proc Natl Acad Sci U S A, 1992. 89(18): p. 8794-7.

6. Shizuya, H. and H. Kouros-Mehr, The development and applications of the bacterial artificial chromosome cloning system. Keio J Med, 2001. 50(1): p. 26-30.

7. Fu, H. and H.K. Dooner, A Gene-enriched BAC Library for Cloning Large Allele-specific Fragments from Maize: Isolation of a 240-kb Contig of the bronze Region. Genome Research, 2000. 10(6): p. 866-873.

8. Lijavetzky, D., et al., Construction and characterization of a bacterial artificial chromosome (BAC) library for the A genome of wheat. Genome, 1999. 42(6): p. 1176-1182.

9. Yang, D., et al., Construction of a bacterial artificial chromosome (BAC) library and identification of overlapping BAC clones with chromosome 4-specific RFLP markers in rice. TAG Theoretical and Applied Genetics, 1997. 95(7): p. 1147-1154.

10. Woo, S.-S., et al., Construction and characterization of bacterial artificial chromosome library of Sorghum bicolor. Nucleic Acids Research, 1994. 22(23): p. 4922-4931.

11. Lapitan, N.L.V., et al., FISH physical mapping with barley BAC clones. The Plant Journal, 1997. 11(1): p. 149-156.

12. Song, J., F. Dong, and J. Jiang, Construction of a bacterial artificial chromosome (BAC) library for potato molecular cytogenetics research. Genome / National Research Council Canada = Genome / Conseil national de recherches Canada, 2000. 43(1): p. 199-204.

13. Harrington, J.J., et al., Formation of de novo centromeres and construction of first-generation human artificial microchromosomes. Nat Genet, 1997. 15(4): p. 345-355.

14. Irvine, D.V., et al., Engineering chromosomes for delivery of therapeutic genes. Trends in biotechnology, 2005. 23(12): p. 575-583.

15. Kurenova EV and M. JM., Telomere functions. A review. Biochemistry (Mosc). 1997. 62(11): p. 12.

16. Richards, E.J. and F.M. Ausubel, Isolation of a higher eukaryotic telomere from Arabidopsis thaliana. Cell, 1988. 53(1): p. 127-136.

17. Cross, S.H., et al., Cloning of human telomeres by complementation in yeast. Nature, 1989. 338(6218): p. 771-4.

18. Brown, W.R.A., Molecular cloning of human telomeres in yeast. Nature, 1989. 338(6218): p. 774-776.

19. Lewin, B., Gens IX. 2008: p. 748-752.

20. Farr, C., et al., Functional reintroduction of human telomeres into mammalian cells. Proceedings of the National Academy of Sciences, 1991. 88(16): p. 7006-7010.

21. Barnett, M.A., et al., Telomere directed fragmentation of mammalian chromosomes. Nucleic Acids Research, 1993. 21(1): p. 27-36.

22. Shen, M.H., et al., A structurally defined mini-chromosome vector for the mouse germ line. Current biology : CB, 2000. 10(1): p. 31-34.

23. Saffery, R., et al., Construction of neocentromere-based human minichromosomes by telomere-associated chromosomal truncation. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2001. 98(10): p. 5705-5710.

24. Duncan, A. and G. Hadlaczky, Chromosomal engineering. Current Opinion in Biotechnology, 2007. 18(5): p. 420-424.

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主题：【第六届原创】人工染色体简介