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世界首例人造单染色体真核细胞诞生

2018-08-03 09:39:52|来源:人民日报|编辑:于苏燕 |责编:韩东林

覃重军(左二)研究团队正在分析人造酵母菌株的脉冲场凝胶电泳验证图。杨正行摄

  日前,中国科学院分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究所合成生物学重点实验室覃重军研究团队与合作者历经4年努力攻关,在国际上首次人工创建了单条染色体的真核细胞,是合成生物学具有里程碑意义的重大突破。

  该成果于北京时间8月2日在线发表于国际知名学术期刊《自然》。

  大胆猜想,能否用1条线型染色体装载所有遗传物质

  人类能否创造生命?2010年,美国科学家克莱特·文特尔及其科研团队在《科学》杂志报道了世界上首个“人造生命”——含有全人工化学合成的与天然染色体序列几乎相同的原核生物支原体,引起轰动。

  此次,以覃重军研究组为主的研究团队完成了将单细胞真核生物——酿酒酵母天然的16条染色体人工创建为具有完整功能的单条染色体。该项工作表明,天然复杂的生命体系可以通过人工干预变简约,自然生命的界限可以被人为打破,甚至可以人工创造全新的自然界不存在的生命。

  在自然界漫长的进化过程中,不同生命体逐渐形成了自身特有的基因组,包括相对较为稳定的DNA序列和固定的染色体数目。染色体携带了生命体生长与繁殖的遗传信息。生物教科书中将自然界存在的生命体分为原核生物和真核生物。染色体裸露无核膜包裹的原核生物通常含有环型结构的1条染色体,而染色体细胞核被核膜包裹的真核生物中通常含有线型结构的多条染色体。

  “真核生物的基因组分散在多条染色体,染色体数量因物种而异。譬如,人类拥有23对染色体,小鼠拥有20对染色体,而果蝇只有4对染色体。这些差异是怎样造成的?染色体数目是否与生物的功能性相关?相对于单个染色体,多条染色体具有什么优势?”覃重军说,“我想,可不可以打破原核生物和真核生物之间的界限,然后人为创造1个单染色体的生物并具有正常的功能?”

  于是,覃重军研究员大胆地假设真核生物也能像原核生物一样,用1条线型染色体装载所有遗传物质并完成正常的细胞功能。

  借助基因编辑技术,15轮融合创建出单染色体酵母菌株

  在大胆猜想之后,覃重军开始带领团队着手进行一系列实验。他们决定采用酿酒酵母作为实验材料。

  覃重军说:“酿酒酵母是一种单细胞真核生物,有16条染色体,是典型的多染色体真核生物。而且它是分子生物学基础研究的模式材料,全世界的科学家已经研究了半个世纪,非常经典。此外,和大部分真核生物相比,酵母研究背景更清晰且操作更简单,可以使得我们的工作相对简单。”

  此外,已公开发表的成果显示,截至2017年3月,酿酒酵母的16条染色体已人工合成了6条。

  覃重军说:“在这个基础上,我更加坚定了上述设想,能不能再往前走一步,将整个酿酒酵母的染色体重排?”随后,他与薛小莉副研究员“工程化精准设计”了定制人造单染色体酵母的指导原则以及理性分析、实验设计、工程化推进的总体方案。2013年,酵母染色体的融合工作正式启动。

  那么,怎么去实现两条染色体的融合呢?

  覃重军说:“1条完整的真核线型染色体,通常包含1个用于染色体分离的着丝粒和两个用于保护染色体末端的端粒。要实现两条染色体的融合,就需要将两条染色体的两个端粒去除后相互连接起来,同时还需要将两条染色体中1条的着丝粒去除,从而保证染色体在细胞分裂过程中正常的分离。”

  覃重军介绍,这个过程中,有一点特别关键,就是在连接时必须同时删除两个端粒和1个着丝粒,否则就会不稳定,马上发生断裂。CRISPR—Cas9编辑技术帮助研究团队很好地完成了这项操作。“它可以做到连接两个染色体,并非常高效地重组,也就是说可以做到同时切同时补。”覃重军说。

  此外,染色体融合的顺序是随机的。研究团队在做染色体融合之前,先进行了一系列验证实验。结果表明,8对染色体随机融合都能成功,最终获得的菌株和野生型酵母菌株一样生长强健。

  接下来,运用同样的染色体融合操作方法,研究团队进行了15轮染色体融合,最终成功创建了只有1条线型染色体的酵母SY14菌株。

  人工改造的酵母细胞很稳健,没有表现出重大的生长缺陷

  在成功创建SY14菌株之后,覃重军团队进一步与合成生物学重点实验室赵国屏研究组、中科院生物化学与细胞生物学研究所周金秋研究员研究组、武汉菲沙基因信息有限公司及军事医学科学院赵志虎研究员等团队合作,深入鉴定了SY14的代谢、生理和繁殖功能及其染色体的三维结构。

  结果表明,单染色体酵母表现出与野生型几乎相同的转录组和表型谱,但通过减数分裂有性繁殖后代减少。另外,染色体融合后存在的最明显的变化是染色体的三维结构。

  “尽管融合显著改变了三维染色体结构,但是除了删除少数非必需基因外,新菌株所含的遗传物质与正常酿酒酵母相同。”覃重军说,“经证实,人工改造的酵母细胞出乎意料地稳健,在不同的培养条件下,没有表现出重大的生长缺陷。然而,融合染色体菌株确实表现出小的适应性限制和有性生殖缺陷,因此它们可能会快速地被天然的菌株淘汰。这些新发现也将有助于解释拥有较多染色体的优势。”

  中科院院士、中科院分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究所所长韩冰表示,将天然复杂的酵母染色体通过人工改造以全新的简约化形式表现出来,是继原核细菌“人造生命”之后的一个重大突破,为人类对生命本质的研究开辟了新方向。

  自然科研机构中国区总监保罗·埃文斯表示,这些酵母菌株也可成为研究染色体生物学基本概念的强大资源,包括染色体的复制、重组和分离等,这些都是生物学领域长期以来十分重要的主题。

  值得一提的是,酿酒酵母通常还是研究染色体异常的重要模型,其1/3基因和具有23对染色体的人类基因同源。覃重军团队创建的单条线型染色体酵母将来或为众多研究课题提供模型。同时,它还可以为研究人类端粒功能及细胞衰老提供模型。

  覃重军说:“端粒是线型染色体末端的保护结构,人类的过早衰老与染色体的端粒长度直接相关。随着细胞分裂次数的增加,端粒的长度逐渐缩短,当端粒变得不能再短时,细胞就会死亡。此外,端粒的缩短还与许多疾病相关,包括肿瘤形成等。”( 吴月辉)

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