真核生物釀酒酵母菌染色體的設計合成獲突破

4篇論文齊上《科學》 開啟「再造生命」新紀元

史無前例！北京時間3月10日,國際頂級學術期刊《科學》以封面的形式同時刊發了中國科學家的4篇研究論文，介紹了天津大學、清華大學和華大基因的最新突破：完成了4條真核生物釀酒酵母染色體的從頭設計與化學合成。釀酒酵母總共有16條染色體，此前國際同行奮鬥多年才發現了1條。

中國科學家代表，自左至右：李炳志、戴俊彪、楊煥明、元英進、沈玥.

人工合成酵母染色體的意義

曾參與人類基因組測序計劃的華大基因理事長楊煥明院士介紹說，合成生物學是繼「DNA雙螺旋發現」和「人類基因組測序」之後，以基因組設計合成為標誌的第三次生物技術革命。生物學分類的依據，是以原核生物和真核生物來區分，細菌、病毒等原核生物的基因組相對簡單，而動物、植物、真菌等真核生物的基因（DNA）既豐富又複雜，通常會包含數億至甚至數十億鹼基對信息。作為遺傳物質的DNA通常被分配到不同的染色體中，而這些染色體又深藏在細胞核的特定區域，因而合成一個真核生物的基因組是一項非常艱巨的任務。但是，如果生物學真正做到引領技術革命，合成真核生物基因組技術必將發揮非常核心的作用。

為完成設計和化學再造完整的釀酒酵母基因組，國際科學界發起了釀酒酵母基因組合成計劃（Sc2.0計劃）。該項目由美國科學院院士傑夫·伯克發起，有美國、中國、英國、法國、澳大利亞、新加坡等多國研究機構參與並分工協作，試圖重新設計併合成釀酒酵母的全部16條染色體（長約12Mb，1Mb是百萬鹼基對）。

天津大學化工學院教授元英進此次在《科學》期刊上發表了2篇論文。他說，如同科學實驗中經常使用的果蠅、斑馬魚，釀酒酵母是生物學研究中的「模式真核單細胞生物」。「如果說病毒基因組的合成開啟了基因組化學合成研究，那麼對原核生物和真核生物基因組的化學全合成，就初步實現了對原核生物和真核生物的生命調控。釀酒酵母是第一個被全基因組測序的真核生物，通過化學合成酵母，可以幫助人類更深刻地理解一些基礎生物學的問題。

中國科學家在合成酵母中的發現

2014年，Sc2.0已創建了一個單一的人工酵母染色體。此次國際合作，中外科學家們共完成了5條染色體的化學合成，其中中國科學家完成了4條。天津大學元英進團隊完成了5號、10號（synV、synX）染色體的化學合成，並開發了高效的染色體缺陷靶點定位技術和染色體點突變修復技術；清華大學戴俊彪團隊完成了12號染色體（synXII）的全合成；深圳華大基因研究院團隊聯合英國愛丁堡大學團隊完成了2號染色體（synII）的合成及深度基因型-表型關聯分析。

元英進團隊在合成長達770kb（kb：千鹼基對）的釀酒酵母10號染色體的過程中，創建了基因組缺陷靶點快速定位與精確修復方法，解決了全化學合成基因組導致細胞失活的難題，所得全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，首次實現了真核人工基因組化學合成序列與設計序列的完全匹配。該技術的突破為研究當前無法治療的環形染色體疾病、癌症和衰老等發生機理和潛在治療手段提供了了研究模型。

清華大學的戴俊彪團隊開發了長染色體「分級組裝」的策略，即：首先通過大片段合成序列，在6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。他們對12號染色體存在高度重複的核糖體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。

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770Kb），合成酵母菌株展現出與野生型高度相似的生命活性，而且對環境的適應性大大加強。他們從表型、基因組、轉錄組、蛋白質組和代謝組五個層次系統地進行基因型－表現型的深度關聯分析，證明了人工設計合成的釀酒酵母基因組具有可增加、可刪減的高度靈活性。」

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