【HUGO进化论·技术篇】“换芯”的艺术：揭秘HUGO-GT®全基因组人源化的策略与挑战

上一期，我们见证了HUGO-GT®如何从为罕见病患者点亮希望的“初心”，进化为赋能广泛疾病研究的“普适”平台（点击回顾上期精彩内容）。故事的序章已拉开帷幕，但一个更深层次的问题随之浮现：在基因层面真正“人源化”一只小鼠，究竟意味着什么？仅仅让它“穿上人类的衣服”就足够了吗？

随着现代疗法（如siRNA、基因编辑等）的研究焦点从蛋白质转向更复杂的编码区（CDS）及非编码区（如内含子、UTR），用于“战前演习”的动物模型必须怎样升级迭代，以适应前沿科研需求，避免药物研发中“差之毫厘，谬以千里”的风险？

欢迎体验本期【HUGO进化论·技术篇】。我们将带您走进赛业生物的研发幕后，独家揭秘HUGO-GT®模型“换芯”过程的精妙艺术，展现其背后的“硬核实力”与“工匠精神”！

图1 HUGO-GT®全基因组人源化小鼠模型构建计划

灵魂拷问：为何需要更“彻底”的人源化革命？过去三十年，小鼠凭借与人类高度的遗传相似性和成熟的分子遗传学技术，成为人类疾病研究的核心模型。从简单转基因到复杂的基因敲除、敲入，甚至涉及染色体易位、大片段缺失与重复的转染色体技术，科研人员成功构建了诸多令人瞩目的突变模型[1-2]。这些模型在揭示疾病机制方面功不可没。
然而，科学的脚步永不停歇，挑战也接连涌现。

传统的“人源化”策略，通常是将人类基因的“核心蓝图”——编码序列（CDS），直接“塞”入小鼠的同源基因中。这虽能使小鼠表达目标人类蛋白，但局限性很快显现。这就像是给一位演员穿上了角色的戏服（蛋白），却忽略了他需要揣摩的剧本、舞台的灯光和观众的反应（调控元件与环境）。

●首先，缺失了关键的“剧本”——基因调控元件。基因表达并非简单的开关，而是由启动子、增强子、非翻译区（UTR）和内含子等元件的精妙协同调控，决定表达的时间、地点和强度[3]。若缺乏人类特有的调控序列，模型可能出现表达失真或模式紊乱，临床相关性大打折扣。

●其次，忽略了物种间的“语言障碍”。蛋白质需与其他蛋白质形成复杂网络以发挥功能。人类蛋白在小鼠细胞环境中可能因无法与正确“伙伴”互动，而难以真实再现物种特异性的生理病理特征。

●更重要的是，人类对生命蓝图的认知在深化。近年来，DNA元件百科全书（ENCODE）和全基因组关联分析（GWAS）等项目揭示，非编码区——曾被视为“垃圾DNA”——实则是疾病发生发展的核心因素[4]。

试想，一款旨在修正RNA剪接异常的ASO药物，或靶向3'UTR的siRNA药物，若在仅含人类CDS的模型上测试，结果如何？显而易见：关键靶点在传统模型中并不存在，这为药物临床转化埋下重大隐患。

因此，一场从“形似”到“神似”的深刻人源化革命势在必行。我们需要构建能够原位替换、保留完整序列并模拟生理表达的新模型。

这正是HUGO-GT®项目的核心目标：将人类基因完整地原位替换到小鼠基因组的正确位置，确保保留完整的序列（包括外显子、内含子和非编码区），从而模拟生理表达，使基因的表达水平和时空模式无限接近人类真实情况。

核心策略：“换芯”的艺术——有所为，有所不为面对严苛要求，HUGO-GT®的“换芯”并非简单地将人类基因全盘移植，而是体现于精准取舍与巧妙平衡。

赛业生物的策略是：在尽可能保留小鼠自身核心调控系统以确保生理功能稳定的前提下，最大限度地替换目标基因的人源功能序列。

基因犹如一个工厂，其结构精妙。启动子是“总开关”，负责启动转录并控制其速度。5'非翻译区（5'UTR）是“质检第一关”，直接调控翻译的起始与效率。外显子与内含子是“待加工的原材料”，经过转录形成“半成品”（前mRNA）。在后续加工中，内含子被移除，外显子被组装，最终产出“刚出炉的产品”（成熟mRNA）。3'UTR则相当于“包装和物流部”，决定着mRNA的稳定性、定位与精细调控。其中，启动子和5'UTR需与细胞内的“指挥系统”（如转录因子和核糖体）精准对话，这种“语言”具有高度物种特异性[5]。若强行替换为人类基因，可能导致人源基因在小鼠体内“水土不服”，出现“指令无法识别”（不表达）或“指令解读错误”（表达模式错乱）等问题。

图2 基因的基本组成结构、主要调控元件以及转录和翻译的过程[6]

因此，HUGO-GT®的标准策略是：保留小鼠自身的启动子和5'UTR，将人类基因的全部外显子、内含子以及至关重要的3'UTR作为一个整体，原位替换掉小鼠的同源区域。

图3 HUGO-GT®系列小鼠与传统模型的构建策略对比

这种“有所为，有所不为”的巧妙设计带来了多重优势：既利用小鼠启动子确保表达的可靠性和组织特异性，又通过完整替换功能区，为研究RNA剪接变异及评估ASO、siRNA等疗法提供了精准平台。

表1 HUGO-GT®全基因组人源化模型的优势

当然，科学从不拘泥于教条。在某些特殊情况下，若有明确证据表明人类启动子或5'UTR调控机制是疾病发生的关键，经过审慎的风险评估后，我们也会选择对这些区域进行替换，以满足特定的研究需求。硬核实力：驾驭“基因航母”的精尖技术理想的策略需要强大的技术实力支撑。要实现HUGO-GT®这种大片段的“换芯”，无异于在纳米级的基因组上对“基因航母”进行精确的外科手术。这正是赛业生物引以为傲的“硬核实力”——我们自主研发的TurboKnockout® ES 打靶技术。

图4 基于ES的TurboKnockout®技术流程示意图

罕见病领域中，不乏杜氏肌营养不良症致病基因DMD、囊性纤维化致病基因CFTR，以及SCN1A、TCF4、TTN等一系列超长基因。常规基因编辑技术（如CRISPR-Cas9）在处理如此巨大的片段时，往往面临效率低下、脱靶风险增加等瓶颈。然而，TurboKnockout®技术凭借其基于胚胎干细胞（ES）同源重组的超高精度和对超大片段的卓越驾驭能力，使我们有能力攻克这些最棘手的难题。

图5 TurboKnockout®技术平台的优势

迄今为止，在HUGO-GT®项目中，我们处理的单个基因最大替换长度已接近500kb，所有项目的平均替换长度也达到了约88kb。更重要的是，这些装载了“基因航母”的小鼠，都基本能在体内稳定、正常地表达人源基因和蛋白，为后续研究奠定最坚实的基础。

工匠精神：于细微处铸就模型的卓越品质每一个成功的HUGO-GT®模型背后，都不是一蹴而就，而是研发团队日夜攻坚、精益求精的“工匠精神”的结晶。这项技术面临着重重挑战：从复杂的大片段载体构建，到极低成功率的打靶筛选；从确保序列无误的严格质控，到避免鼠源基因回插的风险控制；再到解决模型成功后的繁育难题。面对这些挑战，赛业生物的研发团队没有捷径可走，唯有依靠科学、严谨与执着：

●强大的技术平台：TurboKnockout®是我们最坚实的后盾。
●周密的风险预案：在项目启动之初，团队便进行充分的风险评估与预案设计。
●贯穿始终的严格质控：我们建立了一套极其严苛的质量控制体系，从载体测序、ES细胞筛选的Southern Blot或长片段PCR验证，到最终小鼠的基因型和表达验证，层层把关，不放过任何疑点。
●不懈地优化与探索：当遇到繁育困难时，团队会通过更换ES克隆、优化繁育策略等方法，耐心摸索出最佳解决方案。