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人民日报客户端:史无前例!永利集团中国科学家4篇论文齐上《科学》封面

在人们实现大肠杆菌(Escherichia
coli
)质粒的人工设计与合成的四十多年后,纽约大学的一支团队实现了真核生物的染色体全合成——他们集结各方的科研力量,耗时七年,终于合成出了人工染色体synIII,并成功在酿酒酵母(Saccharomyces
cerevisiae
)中发挥功能。这一里程碑式的成果于3月28号发表在《科学》杂志上。

  由天津大学、清华大学和华大基因分别完成的这4篇长文,介绍了生物合成研究的最新突破:完成了4条真核生物酿酒酵母染色体的从头设计与化学合成——要知道,酿酒酵母总共有16条染色体,此前国际同行奋斗多年才发现了1条。

酵母在生物医药和生物工程上的应用相当广泛——它们不仅像大肠杆菌一样易于培养又不含内毒素(大肠杆菌因为含有内毒素,而被禁止用于部分药物的生产),而且作为真核生物,其表达分泌系统也更加完善。在此之前,酵母人工染色体大多是稍作改装后的穿梭载体,各方面性能都不如synIII。人工合成的染色体将大大简化今后的工作,更便捷地改变真核工程细胞的特性。除开科研外,还会给许多行业带来福音:如果能提高它们对产物的耐受性,或者对不同条件的温度和pH的适应度,那么生物制药和能源等产业将大大受益。

  在合成染色体的过程中,他们还突破了生物合成方面的多项关键核心技术,比如:突破合成型基因组导致细胞失活的难题,设计构建染色体成环疾病模型,开发长染色体分级组装策略,证明人工设计合成的基因组具有可增加、可删减的灵活性,等等。这些技术将帮助在全世界的生命科学研究和相关实际应用中大显身手,其价值不可估量。

这个团队的领导人是杰夫·伯克(Jef
Boeke),他是纽约大学朗格尼医学中心系统遗传学研究所的主任。研究所构建的这个染色体是基于酿酒酵母最小的3号染色体设计的,有27万多个碱基对,其中增删了许多元件以让其功能更安全、齐全。不过作为它的模板,3号染色体能控制酵母的有性生殖——这不利于外源性状的整合。为了让合成出的染色体不影响酵母的生长繁殖,研究小组在其上的500多个地方进行了修改,并利用大通量的筛选来测试其影响,最终得到效果理想的组合。在此基础上,他们还删去了原基因组中许多不具功能的区域,如非编码区、假基因和转座子。同时,研究团队还在许多位点上进行了序列的插入和增改,以让它更稳定,更适合外源基因的插入。

  国内外同行指出,这是继合成原核生物染色体之后的又一里程碑式突破,有望开启人类“设计生命、再造生命和重塑生命”的新纪元。

永利集团 1合成的染色体synIII设计图;研究团队将染色体变得更加短小精悍又实用。标注部分是在原有染色体上做出的修改,包括对称重组位点(loxPSym)的插入(青色),终止密码子的改变(红色)和同义密码子的替换(蓝色);黄褐色区域是删除的部分,两端有重组位点。图片来源:Boeke
lab

  人工合成酵母染色体,意义何在?

与原核生物不同的是,真核生物的基因组更加冗杂。基因组不像大肠杆菌只有一个大环状DNA,而是许多线状的染色体;不仅在编码基因的内部存在内含子,不同非编码区担负的功能也各异,更是有承担着丝粒、端粒等特殊结构的功能序列。如果各个片段的排布异常,染色体的结构可能会变得不稳定,从而容易丢失。这种复杂性无疑给真核染色体的合成增加了难度。这项研究的意义不仅在于能够将人工设计的真核染色体进行全合成,更重要的是,这一发生剧烈变化染色体能在酵母细胞中保留并发挥功能。这对今后重要的功能微生物的合成带来了动力。

  曾参与人类基因组测序计划的华大基因理事长杨焕明院士介绍说,合成生物学(Synthetic
Biology)是继“DNA双螺旋发现”和“人类基因组测序计划”之后,以基因组设计合成为标志的第三次生物技术革命。他指出,生物学界内最重要的分类依据,既不是植物和动物,也不是多细胞和单细胞生物,而是以原核生物和真核生物来区分。“细菌、病毒等原核生物的基因组相对简单,而动物、植物、真菌等等真核生物的基因(DNA)既丰富又复杂,通常会包含数亿至甚至数十亿碱基对信息。同时,作为遗传物质的DNA通常被分配到不同的染色体中,而这些染色体又深藏在细胞核的特定区域。所以,合成一个真核生物的基因组是一项非常艰巨的任务。但是,如果生物学真正做到引领技术革命,合成真核生物基因组技术必将发挥非常核心的作用。”

研究过程中,科学家们借助电脑软件设计出染色体的结构,随后将其分成许多“构建单元”,即700至800碱基对左右相互覆盖的DNA片段,分别合成;然后利用覆盖区域的特异序列将它们逐个“粘合”。在框架搭好后,研究者们利用了“基因洗牌”的方法,将不同的基因片段随机相互组合,并培养相应的酵母,通过它们的表现——菌落大小、生长曲线,以及不同条件下的细胞形态——来判断组合的优劣,越接近野生的越好。

  为完成设计和化学再造完整的酿酒酵母基因组,国际科学界发起了酿酒酵母基因组合成计划(Sc2.0计划),这是合成基因组学(Synthetic
genomics)研究的标志性国际合作项目。该项目由美国科学院院士杰夫·伯克发起,有美国、中国、英国、法国、澳大利亚、新加坡等多国研究机构参与并分工协作,试图重新设计并合成酿酒酵母的全部16条染色体(长约12Mb,1Mb是百万碱基对)。

早在分子生物学兴起的伊始,生物学家们就开始尝试构建模式生物作为研究工具——它们的遗传背景清晰,且能够相对便利地进行基因操作,便于控制实验变量。而作为原核生物的代表,大肠杆菌更是早早地被人攻破,很快成为最基础的模式物种之一。真核生物虽然也有人工染色体,但由于其大多是改造的原有染色体,常常含有许多的冗余部分,比如假基因和转座子。重新合成人工染色体,无异于从头设计它应有的功能,便于科研人员更便捷地进行功能基因组学的研究。而这项动用了美、中、澳、新加坡和英国科研力量的大手笔,无疑是合成生物学上的里程碑。

  天津大学化工学院教授元英进是最早参与该计划的中国科学家,此次在《科学》期刊上以通讯作者身份发表了2篇论文。他告诉记者,如同科学实验中经常使用的果蝇、斑马鱼,酿酒酵母是生物学研究中的“模式真核单细胞生物”。“如果说病毒基因组的合成开启了基因组化学合成研究,那么原核生物和真核生物基因组合成研究的不断突破,则初步实现了化学全合成基因组对单细胞原核生物和真核生物的生命调控。“酿酒酵母是第一个被全基因组测序的真核生物,大尺度的设计和重建酵母基因组是对目前酵母领域知识贮备的真实性、完整性和准确性的一个直接考验。化学合成酵母,一方面可以帮助人类更深刻地理解一些基础生物学的问题,另一方面可以通过基因组重排系统,使酵母实现快速进化,得到在医药、能源、环境、农业、工业等领域有重要应用潜力的菌株。”

伯克博士说,这个团队的下个目标是利用这次的经验,更快更好地合成酵母基因组中更大的染色体,同时在过程中加深对酵母不同基因功能的理解。

  我国科学家在合成酵母中发现了什么?

永利集团 2研究负责人杰夫·伯克。图片来源:Boeke
lab

  2014年,Sc2.0已创建了一个单一的人工酵母染色体。此次国际合作,中外科学家们共完成了5条染色体的化学合成,其中中国科学家完成了4条,占完成数量的66.7%,把Sc2.0计划向前推进了一大步。

 

  其中,元英进带领的天津大学团队完成了5号、10号(synV、synX)染色体的化学合成,并开发了高效的染色体缺陷靶点定位技术和染色体点突变修复技术;戴俊彪研究员带领清华大学团队完成了当前已合成染色体中最长的12号染色体(synXII)的全合成;深圳华大基因研究院团队联合英国爱丁堡大学团队完成了2号染色体(synII)的合成及深度基因型-表型关联分析。

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