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我科学家将酿酒酵母染色体“十六合一”

白晓燕/东方网-上海科协2018-08-08 21:38:40

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在合成生物学领域,中国科学家曾经首次人工合成结晶牛胰岛素、首次人工合成酵母丙氨酸转移核糖核酸,并在去年化学合成了4条酿酒酵母染色体。如今,又一项标志性成果在中国诞生。

近日,国际知名学术期刊《自然》在线发表了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的一项重磅成果。

他们在国际上首次人工创建了单条染色体的真核细胞。这项由中国科学家独立完成的研究,在合成生物学中具有里程碑意义。

打破天然生命界限的合成生物学

生物学教科书将自然界存在的生命体分为两类:一类是真核生物,这类生物具有成型的细胞核,而核膜里包裹着携带遗传基因的染色体;另一类是原核生物,这类生物没有成型的细胞核,染色体就存在于细胞质中。一般而言,真核生物通常含多条线型结构的染色体,而更为原始的原核生物只有含有一条环状结构的染色体。动物、植物、真菌等属于真核生物,细菌、支原体等属于原核生物。

对于科学家而言,一个充满了好奇的疑问是:真核生物是不是需要那么多染色体?如果把真核生物多条染色体变成原核生物一样的单条染色体,还能完成一样的生命过程吗?

拥有16条染色体的酿酒酵母细胞属于真核单细胞模式生物。这些染色体两端有端粒,中间有着丝粒。在天然状态下,16个着丝粒会聚集在一起,如同一朵花的花萼。而32个端粒则位于另一头,把这些染色体拉伸开来,如同一片片花瓣。整个染色体的三维结构井然有序,如同一朵含苞待放的花朵。就是这一株小小的染色体“花朵”,其携带的遗传密码——基因,就能够满足酵母细胞所有生命过程的需要。

在覃重军充满天马行空式的设想中,把16条染色体连接在一起,去掉那些重复的序列,保留所有有用的基因,最终减少了染色体数量的酿酒酵母也将完成正常的细胞功能。

用人工的手段,打破了自然进化形成的生命样式,将天然复杂的生命系统变成简约、可供研究的科学实验体系。这是合成生物学的意义,也是覃重军将设想变成现实的动力。

染色体“十六合一”酵母功能表现正常

在大胆设想之后,覃重军与薛小莉副研究员“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。

研究组从2013年开始尝试并发展高效的染色体操作方法。历经4年时间,利用CRISPR/Cas9技术,通过15轮染色体融合,最终成功创建了只有一条线型染色体的酿酒酵母菌株SY14。

随后,覃重军研究组与赵国屏院士研究组、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SY14的代谢、生理和繁殖功能及其染色体的三维结构。

与天然16条染色体形成的花苞状结构相比,“十六合一”染色体三维结构发生了巨大变化,呈现出更为弯曲的接近球形的结构。

最令人激动的是,SY14表现出正常的细胞功能和出乎意料的稳健生长。虽然SY14表现出一定的生殖缺陷,例如其孢子存活率比天然细胞的孢子存活率低了约十几个百分点。但SY14依然能够在不同的培养条件下,没有表现出明显的生长缺陷,并能够稳定地繁殖出下一代。这颠覆了染色体三维结构决定基因时空表达的传统观念,揭示了染色体三维结构与实现细胞生命功能的全新关系。

具有重大科研与应用价值

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,SY14是继2010年原核细菌“人造生命”之后的一个重大突破,也是通过经典分子生物学“假设驱动”与合成生物学“工程化研究模式”来探索解析生命起源与进化中重大基础科学问题的一个新范例。

中国科学家利用合成科学策略,回答了生命科学领域一个重大的基础问题,即建立原核生物与真核生物之间基因组进化的桥梁。这是合成生物学“建物致知”理念的生动体现,为人类对生命本质的研究,开辟了新方向。

原标题:我科学家将酿酒酵母染色体“十六合一”

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