見證 | 這七篇頂級論文將奠定人類生命科學的第三次革命！

06-06

今天7篇文章同時在Science發表，標誌著合成生物學進入新紀元！

2017年3月10日，是令整個人類生命科學領域為之振奮的一天，更是令國人驕傲和自豪的一天。國際頂級學術期刊《科學》雜誌重磅推出酵母合成生物特刊，共7篇研究長文，這是繼合成原核生物染色體之後的又一里程碑式的突破，開啟人類「設計生命、再造生命和重塑生命」的新紀元！

曾參與人類基因組測序計劃的中國科學院院士、華大基因理事長楊煥明介紹說：「合成生物學」是繼「DNA雙螺旋結構發現」和「人類基因組測序計劃」之後，以基因組設計合成為標誌的第三次生物技術革命！

7篇論文中，有4篇由國內團隊主導，包括天津大學元英進課題組兩篇，深圳華大基因楊煥明院士和愛丁堡大學Yizhi Cai領導的合作小組一篇，清華大學生科院戴俊彪課題組一篇。此外，另三篇論文分別是由約翰霍普金斯大學Joel S. Bader和紐約大學Jef D. Boeke、紐約大學Jef D. Boeke、法國巴斯德所Hélo?se Muller和Romain Koszul領導的課題組完成。

「2000年公布的人類基因組測序，中國只承擔了百分之一的工作，這次我們完成了釀酒酵母染色體合成的四分之一，可以說是中國在合成生物學領域取得的突破性成果，進一步奠定了我國在這一領域的國際地位。」楊煥明說，「兩相比較，不難看出我們在生命科學研究領域的巨大進步。在釀酒酵母設計與合成研究中，我們已由『跟跑』轉為『並跑』，今後『領跑』也不是不可能。」

接下來，我們簡單了解一下這7篇革命性的文章（小編已下載了這7篇文章的原文，有需要的朋友可以根據文末方式索取）：

深圳華大基因研究院與英國愛丁堡大學共同完成2號染色體的從頭設計與全合成(長770 Kb),合成酵母菌株展現出與野生型高度相似的生命活性。在設計中，華大基因團隊簡化了原有的基因組，設計了許多特殊的「元件」，增加了人工設計的「開關」，簡化了編碼，充分展現人類對於基因組編寫能力已接近於計算機語言的可用性。2號染色體的文章第一作者，深圳國家基因庫合成與編輯平台負責人沈玥指出：「酵母基因組項目的實施使得我們在快速掌握基因組合成相關技術的同時，也搭建了完善的大規模高通量的合成生物學平台。作為國家基因庫的公共平台，對整個產業和技術的發展都起到了重要的推動作用。」

在這項工作中，清華大學戴俊彪研究團隊設計合成了12號染色體，開發了長染色體分級組裝的策略，即首先通過大片段合成序列，在六個菌株中分別完成了對染色體不同區域內源DNA的逐步替換；然後利用酵母減數分裂過程中同源重組的特性，將多個菌株中的合成序列進行合併，獲得完整的合成型染色體。針對12號染色體上存在的高度重複的核糖體RNA編碼基因簇進行刪除及工程化改造，並利用修改後的重複單元在基因組多個位點重建了核糖體RNA編碼基因簇。該工作奠定了未來對其他超大、結構超複雜的基因組進行設計與編寫的基礎，同時也證明了酵母基因組中rDNA（核糖體DNA）區域及其他序列均具有驚人的靈活度與可塑性。

這項工作通過設計合成五號染色體，報道了精確匹配人工設計序列的真核生物染色體（釀酒酵母V號染色體）的化學合成，為理解和評判當前真核生物化學合成染色體的設計原則與設計方法提供了實驗驗證和數據支持。同時，創建了釀酒酵母人工環形染色體，為研究染色體重排、癌症、衰老、人類染色體異常疾病等提供了新的研究思路和研究模型。天津大學博士生謝澤雄和天津大學國家優青獲得者李炳志是本文的共同第一作者。

該工作報道了全化學合成重新設計的真核生物釀酒酵母十號染色體，長達707 Kb，創建了一種高效定位生長缺陷靶點的方法（pooled PCRTag mapping[PoPM]），解決了合成型基因組導致細胞失活的難題，並且提供了一種表型和基因型關聯分析的新策略，有助於延伸對基因組和細胞功能的認知；首次報道了精確匹配設計序列的真核生物染色體的化學合成，驗證和評判了當前真核生物人工染色體的設計原則。這項研究創建了基因組缺陷靶點快速定位與精確修復方法，解決了化學合成染色體導致細胞失活的難題，所得到的化學合成酵母染色體具備完整的生命活性，能夠成功調控酵母的生長，並具備各種環境響應能力。此方法已經成為國際人工基因組合成研究的普適方法。天津大學博士生吳毅和天津大學國家優青獲得者李炳志是本文的共同第一作者。

紐約大學Jef D. Boeke教授是釀酒酵母基因組合成計劃（Sc2.0計劃）的發起人。他領導的課題組負責合成酵母VI號染色體，發現可以通過分析其表型、轉錄組學和蛋白質組學，來確定在基因組編輯過程中引入的「罕見錯誤」的存在。

法國巴斯德所Hélo?se Muller和Romain Koszul領導的課題組在這項研究中描述了合成染色體在三維空間中的表現。他們發現，酵母合成中重複序列的刪除導致更順暢的接觸模式和更精確的易處理的染色體構象，並且大規模的基因組組織在全局上不受合成染色體的存在的影響。但合成III號染色體和XII號染色體缺乏這些特徵。

在這項工作中，研究人員將所有合成染色體整合到酵母基因組中，使一個高度修改的釀酒酵母基因組的大小減少了近8%，1.1MG大小的合成基因組被刪除、插入或修改。

【生物極客專評】隨著合生生物學基因合成能力的逐步提高，人類逐漸從合成一個病毒到支原體，再到真核生物，可以預見在不遠的將來，大規模高通量的合成將成為重構生命的新思路。