在人們實(shí)現(xiàn)大腸桿菌（Escherichia coli）質(zhì)粒的人工設(shè)計(jì)與合成的四十多年后，紐約大學(xué)的一支團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了真核生物的染色體全合成——他們集結(jié)各方的科研力量，耗時(shí)七年，終于合成出了人工染色體synIII，并成功在釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）中發(fā)揮功能。這一里程碑式的成果于3月28號(hào)發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。

酵母在生物醫(yī)藥和生物工程上的應(yīng)用相當(dāng)廣泛——它們不僅像大腸桿菌一樣易于培養(yǎng)又不含內(nèi)毒素（大腸桿菌因?yàn)楹袃?nèi)毒素，而被禁止用于部分藥物的生產(chǎn)），而且作為真核生物，其表達(dá)分泌系統(tǒng)也更加完善。在此之前，酵母人工染色體大多是稍作改裝后的穿梭載體，各方面性能都不如synIII。人工合成的染色體將大大簡(jiǎn)化今后的工作，更便捷地改變真核工程細(xì)胞的特性。除開科研外，還會(huì)給許多行業(yè)帶來福音：如果能提高它們對(duì)產(chǎn)物的耐受性，或者對(duì)不同條件的溫度和pH的適應(yīng)度，那么生物制藥和能源等產(chǎn)業(yè)將大大受益。

這個(gè)團(tuán)隊(duì)的領(lǐng)導(dǎo)人是杰夫·伯克（Jef Boeke），他是紐約大學(xué)朗格尼醫(yī)學(xué)中心系統(tǒng)遺傳學(xué)研究所的主任。研究所構(gòu)建的這個(gè)染色體是基于釀酒酵母最小的3號(hào)染色體設(shè)計(jì)的，有27萬多個(gè)堿基對(duì)，其中增刪了許多元件以讓其功能更安全、齊全。不過作為它的模板，3號(hào)染色體能控制酵母的有性生殖——這不利于外源性狀的整合。為了讓合成出的染色體不影響酵母的生長(zhǎng)繁殖，研究小組在其上的500多個(gè)地方進(jìn)行了修改，并利用大通量的篩選來測(cè)試其影響，最終得到效果理想的組合。在此基礎(chǔ)上，他們還刪去了原基因組中許多不具功能的區(qū)域，如非編碼區(qū)、假基因和轉(zhuǎn)座子。同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)還在許多位點(diǎn)上進(jìn)行了序列的插入和增改，以讓它更穩(wěn)定，更適合外源基因的插入。

合成的染色體synIII設(shè)計(jì)圖；研究團(tuán)隊(duì)將染色體變得更加短小精悍又實(shí)用。標(biāo)注部分是在原有染色體上做出的修改，包括對(duì)稱重組位點(diǎn)（loxPSym）的插入（青色），終止密碼子的改變（紅色）和同義密碼子的替換（藍(lán)色）；黃褐色區(qū)域是刪除的部分，兩端有重組位點(diǎn)。圖片來源：Boeke lab

與原核生物不同的是，真核生物的基因組更加冗雜。基因組不像大腸桿菌只有一個(gè)大環(huán)狀DNA，而是許多線狀的染色體；不僅在編碼基因的內(nèi)部存在內(nèi)含子，不同非編碼區(qū)擔(dān)負(fù)的功能也各異，更是有承擔(dān)著絲粒、端粒等特殊結(jié)構(gòu)的功能序列。如果各個(gè)片段的排布異常，染色體的結(jié)構(gòu)可能會(huì)變得不穩(wěn)定，從而容易丟失。這種復(fù)雜性無疑給真核染色體的合成增加了難度。這項(xiàng)研究的意義不僅在于能夠?qū)⑷斯ぴO(shè)計(jì)的真核染色體進(jìn)行全合成，更重要的是，這一發(fā)生劇烈變化染色體能在酵母細(xì)胞中保留并發(fā)揮功能。這對(duì)今后重要的功能微生物的合成帶來了動(dòng)力。

研究過程中，科學(xué)家們借助電腦軟件設(shè)計(jì)出染色體的結(jié)構(gòu)，隨后將其分成許多“構(gòu)建單元”，即700至800堿基對(duì)左右相互覆蓋的DNA片段，分別合成；然后利用覆蓋區(qū)域的特異序列將它們逐個(gè)“粘合”。在框架搭好后，研究者們利用了“基因洗牌”的方法，將不同的基因片段隨機(jī)相互組合，并培養(yǎng)相應(yīng)的酵母，通過它們的表現(xiàn)——菌落大小、生長(zhǎng)曲線，以及不同條件下的細(xì)胞形態(tài)——來判斷組合的優(yōu)劣，越接近野生的越好。

早在分子生物學(xué)興起的伊始，生物學(xué)家們就開始嘗試構(gòu)建模式生物作為研究工具——它們的遺傳背景清晰，且能夠相對(duì)便利地進(jìn)行基因操作，便于控制實(shí)驗(yàn)變量。而作為原核生物的代表，大腸桿菌更是早早地被人攻破，很快成為最基礎(chǔ)的模式物種之一。真核生物雖然也有人工染色體，但由于其大多是改造的原有染色體，常常含有許多的冗余部分，比如假基因和轉(zhuǎn)座子。重新合成人工染色體，無異于從頭設(shè)計(jì)它應(yīng)有的功能，便于科研人員更便捷地進(jìn)行功能基因組學(xué)的研究。而這項(xiàng)動(dòng)用了美、中、澳、新加坡和英國科研力量的大手筆，無疑是合成生物學(xué)上的里程碑。

伯克博士說，這個(gè)團(tuán)隊(duì)的下個(gè)目標(biāo)是利用這次的經(jīng)驗(yàn)，更快更好地合成酵母基因組中更大的染色體，同時(shí)在過程中加深對(duì)酵母不同基因功能的理解。

研究負(fù)責(zé)人杰夫·伯克。圖片來源：Boeke lab

 

信息來源：Science

文章題圖：Boeke lab