七年磨一剑：人工合成真核染色体！

七年磨一剑：人工合成真核染色体！

Paradoxian 2014-03-28 21:47

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。

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。

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。

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

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。

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。

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。

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。

研究负责人杰夫·伯克。图片来源：Boeke lab

 

信息来源：Science

文章题图：Boeke lab