354、【轉載】人工合成生命里程碑：首例人造單染色體真核細胞

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中國人工合成生命里程碑：創建全球首例人造單染色體真核細胞

2018年08月02日

來源：澎湃新聞網

人類能否創造生命？「上帝」的特權能否交由人類自己掌控？

北京時間8月2日凌晨，國際頂級學術期刊《自然》（Nature）同時在線發表了2篇將酵母染色體融合的成果。其中一篇來自酵母染色體人工合成領域「老將」、美國科學院院士、紐約大學醫學院教授傑夫?博克（Jef Boeke）團隊，另一篇則來自中國科學院分子植物科學卓越創新中心/植物生理生態研究所合成生物學重點實驗室覃重軍研究團隊及其合作者。

中國研究成果的通訊作者之一、植物生理生態研究所研究員、中國科學院院士趙國屏對澎湃新聞（http://www.thepaper.cn）表示，「這是繼上世紀六十年代人工合成胰島素和tRNA之後，中國學者再一次用合成科學的方法，回答了一個生命科學領域十分基礎而重大的問題。」

基因組層面上化學合成生命的大門在2010年正式開啟。當年，曾領銜人類基因組計劃的美國科學家克萊格?文特爾（J. Craig Venter）及其團隊在《科學》（Science）雜誌報道了世界上首個「人造生命」——含有全人工化學合成的與天然染色體序列幾乎相同的原核生物支原體，引起轟動。

2014年開始，美國、中國、英國、法國的研究團隊將「人造生命」的目標從原核細菌跳躍至真核的酵母。截至2017年3月，已公開發表的成果顯示，酵母的16條染色體已人工合成了6條。按照計劃，科學家們將於2018年年底完成全部16條染色體的合成。

基於酵母可被人工設計的成熟度越來越高，圍繞其展開的研究課題也逐漸多元化。

值得一提的是，由中國科學家獨立完成的這項研究，是在國際上首次人工創建了單條染色體的真核細胞。同期發表的傑夫?博克團隊成果則最終只能將16條酵母染色體融合至2條，儘管經過了很多次的嘗試，傑夫?博克團隊始終無法獲得存活的、僅有一條染色體的細胞。

中科院深圳先進技術研究院合成生物學研究所（籌）副所長、深圳市合成生物學協會常務副會長戴俊彪在接受澎湃新聞採訪時對研究成果點評道，「這是人類首次通過實驗手段，實現對一個物種的染色體數目進行系統和大規模的改造。」戴俊彪未參與此項研究。

戴俊彪表示，包括傑夫?博克團隊在內的兩篇論文的研究結果均表明，自然進化而成的現有真核生物（至少釀酒酵母）染色體數目與功能之間並不存在直接的決定關係，染色體的數目可以進行人為的改變，同時對細胞生長不造成顯著的影響。

大膽猜想：1條線型染色體裝載所有遺傳物質

在自然界漫長的進化過程中，不同生命體逐漸形成了自身特有的基因組，包括相對較為穩定的DNA序列和固定的染色體數目。

染色體攜帶了生命體生長與繁殖的遺傳信息。染色體裸露無核膜包裹的原核生物通常含有環型結構的一條染色體，而染色體細胞核被核膜包裹的真核生物中，除了雄性傑克跳蟻（Myrmecia pilosula）只含一條染色體，其他所有已知的真核生物都包含數目不等的多條染色體。

然而，一些基本的生物學問題，例如染色體數目是否與生物的功能具有相關性？以及染色體的數目是否具有可變性？相對於單個染色體，多個染色體對於真核細胞有何優勢？限於技術的障礙，這些從未能夠進行實驗驗證。

2008年，趙國屏參與中科院關於中國科技五十年發展路線圖的編撰工作，負責「生命起源、進化與人造生命」部分。看到合成生物學將會給生命科學帶來的顛覆性變革，趙國屏向中科院提出申請，以上海植物生理生態研究所分子微生物實驗室為基礎，成立了國內第一個「合成生物學重點實驗室」。

實驗室成立2年後的2011年，曾師從斯坦福大學基因克隆創始人之一斯丹利?科恩（Stanley N. Cohen）教授、38歲即獲得國家自然科學基金委「傑青」資助的覃重軍，從鏈黴菌研究開始向微生物染色體合成、改造、重編程方向轉型。

曾經對原核生物駕輕就熟的覃重軍隨後大膽假設：真核生物是否也能像原核生物一樣，用一條線型染色體裝載所有遺傳物質並完成正常的細胞功能？

假設之後，覃重軍團隊將目標鎖定在釀酒酵母身上。釀酒酵母是一種模式單細胞真核生物，每個單倍體細胞內包含有16條線型染色體，每條染色體的基因組大小從230kb到1500 kb不等。

趙國屏表示，「從和我們實驗的相關性來說，酵母首先是一種單細胞真核生物，有16條染色體，是典型的多染色體真核生物。此外，和大部分真核生物不一樣的是，酵母染色體上僅有1個著絲粒，可以使得我們的工作相對簡單。」

隨後，覃重軍等人「工程化精準設計」了定製人造單染色體酵母的指導原則以及理性分析、實驗設計、工程化推進的總體方案。2013年開始，酵母染色體的融合工作啟動。

15輪融合創建簡約版酵母

一條完整的真核線型染色體，通常包含一個用於染色體分離的著絲粒和兩個用於保護染色體末端的端粒。

為實現2條染色體的融合，不僅僅需要將2條染色體的2個端粒去除後相互連接起來，同時還需要將2條染色體中1條的著絲粒去除，從而保證染色體在細胞分裂過程中正常的分離。

論文中提到，在染色體融合操作中，需遵循一些標準和原則。為形成遺傳穩定的融合染色體和避免雙著絲粒染色體的形成，每次融合過程需同時去除1個著絲粒和2個端粒。研究團隊用CRISPR–Cas9系統和酵母強大的同源重組活性開發了一種精確的染色體融合方法。

最後剩下的唯一1個著絲粒的位置大致要處於最後一條染色體的中間，從而保持染色體兩臂平衡。同時，每個著絲粒和端粒的去除都要避免影響相鄰基因，和端粒相關的超過2kb的長段重複序列需刪除，避免在錯誤位點潛在的同源重組。

此外，染色體融合的順序是隨機的。先導實驗表明，8對染色體隨機融合都能成功，最終獲得的菌株和野生型酵母菌株一樣生長強勁，暗示酵母細胞可以適應2條染色體的隨機融合。

在上述原則下，研究團隊將VII染色體和VIII染色體首先融合，獲得的酵母菌株命名為SY0。在融合過程中，VII染色體右臂的端粒和與端粒相關的長段重複序列被去除，VIII染色體左臂的端粒和與端粒相關的長段重複序列也被去除，同時VIII染色體的著絲粒被去除。

在同樣的融合策略下，進行了15輪染色體端-端融合，最終獲得酵母SY14菌株，僅含有1條巨大的線型染色體。

從2013年實驗正式啟動到酵母SY14菌株的成功獲得，研究團隊歷經4年時間。

值得一提的是，從融合順序來說，相比於覃重軍等人的融合，傑夫?博克團隊採用的方式略有差異。

傑夫?博克團隊首先將所有的小染色體融合到了一起，獲得帶有12條染色體的酵母。隨後通過進一步的融合，獲得帶有8條染色體的酵母。依次類推，最終獲得了帶有兩條染色體的酵母。

在整個染色體融合過程中，傑夫?博克團隊始終保證所獲得的染色體在長度上是接近的。不過，在最後一步將2條染色體融合成一條的過程中，儘管經過了很多次的嘗試，他們始終無法獲得存活的，僅有1條染色體的細胞。

戴俊彪表示，傑夫?博克團隊無法將兩條染色體融合成一條的原因依然未知，也許通過比較帶有兩條和一條染色體酵母的差異，可以幫助解決這個問題。

覃重軍則著重提到，「除了端粒、著絲粒，我們還把其中一些重複序列去掉了。另外，我們曾經也出現染色體融合之後酵母就不生長的情況，核查之後發現還是在操作上出現了誤差，把著絲粒附近重要的基因損傷了。」這些或許是染色體融合成功與否的關鍵。

人工改造的簡約版生命依舊可以存活

成功獲得SY14菌株之後，覃重軍團隊進一步與合成生物學重點實驗室趙國屏研究組、中科院生物化學與細胞生物學研究所周金秋研究員研究組、武漢菲沙基因信息有限公司及軍事醫學科學院趙志虎研究員等團隊合作。

合作團隊隨後深入鑒定了SY14的代謝、生理和繁殖功能及其染色體的三維結構。

研究團隊通過對創建的帶有1條染色體的菌株進行分析，發現染色體數目減少後的細胞在形態上和帶有16條染色體的野生型類似，在生長上僅出現較小的差異。染色體數目的減少僅導致少量的基因表達發生差異。

「從單獨的生長、繁殖來說基本上是正常的，繁殖很多代也很穩定。明顯的問題是把帶有1條染色體的菌株和野生型的酵母細胞混合在一起培養，一代一代傳代之後會發現，含有16條染色體的野生型酵母會越來越多，只有1條染色體的酵母會越來越少。」覃重軍表示。

上述現象意味著，在自然競爭的狀態下，帶有1條染色體的人工改造過的酵母菌株相對於野生型是弱勢的。

另外，染色體融合後存在的最明顯的變化是染色體的三維結構。

野生型酵母染色體在細胞核中可以形成較為穩定的三維結構，其特徵是所有的著絲粒會聚集在一起，位於細胞核的一端。而所有染色體短臂的端粒和長臂的端粒都會聚集在一起，位於細胞核的核膜附近。

人工創建的單條線型染色體的三維結構則因著絲粒、端粒等的大量去除發生了巨大變化。論文中提到，由於失去了所有和著絲粒相關的染色體間相互作用、大部分和端粒相關的染色體間相互作用，以及67.4%的染色體內的相互作用，16條天然線性染色體融合到單個染色體中導致了染色體的整個三維結構發生了顯著變化。

該項工作表明，天然複雜的生命體系可以通過人工干預變簡約，自然生命的界限可以被人為打破，甚至可以人工創造全新的自然界不存在的生命。

趙國屏認為，這項工作的意義，首先證明帶有1條染色體的酵母和野生型並沒有太大的差別，僅有一條染色體的酵母是可以存活的。

「第二點，染色體融合之後最大的改變是染色體三維結構的變化，此前認為染色體的三維結構變化會很大地影響生物體發揮功能，但現在看來沒有那麼大的影響。」趙國屏表示，「第三點是從進化上來說，研究證明了1條染色體的真核細胞是可以存在的，但它相比16條染色體的酵母還是有缺陷，這或許能解釋為什麼在真核生物進化的過程中，我們現在看到的幾乎都是多染色體。」

趙國屏強調，基於合成生物學的研究實際上就相當於「建物致知」，「我們通過建設一個物品來增加我們的認識。」

值得一提的是，釀酒酵母通常還是研究染色體異常的重要模型，其1/3基因和具有23對染色體的人類基因同源。覃重軍等人的創建的簡約版酵母將來或為眾多研究課題提供模型。

以端粒為例，端粒是線型染色體末端的保護結構，人類的過早衰老與染色體的端粒長度直接相關。隨著細胞分裂次數的增加，端粒的長度逐漸縮短，當端粒變得不能再短時，細胞就會死亡。此外，端粒的縮短還與許多疾病相關，包括基因突變，腫瘤形成等。

與天然酵母的32個端粒相比，覃重軍等人人工創造的單條線型染色體僅有2個端粒，為研究人類端粒功能及細胞衰老提供了很好的模型。

趙國屏介紹，未來研究團隊會圍繞染色體結構功能進一步研究。

戴俊彪也提到，帶有1條或者2條染色體的酵母，可以作為一個新的研究平台，增進我們對染色體重組、複製和分離機制的解析，具有重要的意義。此外，兩項研究的結果也說明釀酒酵母對染色體的長度沒有限制（至少可以長達12Mbp），這為利用酵母構建高等生物的新染色體提供了理論依據。

引自：中國人工合成生命里程碑：創建全球首例人造單染色體真核細胞

（2018.8.2）