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在人们实现大肠杆菌(Escherichia coli)质粒的人工设计与合成的四十多年后,纽约大学的一支团队实现了真核生物的染色体全合成——他们集结各方的科研力量,耗时七年,终于合成出了人工染色体synIII,并成功在酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)中发挥功能。这一里程碑式的成果于3月28号发表在《科学》杂志上。

这个团队的领导人是杰夫·伯克(Jef Boeke),他是纽约大学朗格尼医学中心系统遗传学研究所的主任。研究所构建的这个染色体是基于酿酒酵母最小的3号染色体设计的,有27万多个碱基对,其中增删了许多元件以让其功能更安全、齐全。不过作为它的模板,3号染色体能控制酵母的有性生殖——这不利于外源性状的整合。为了让合成出的染色体不影响酵母的生长繁殖,研究小组在其上的500多个地方进行了修改,并利用大通量的筛选来测试其影响,最终得到效果理想的组合。在此基础上,他们还删去了原基因组中许多不具功能的区域,如非编码区、假基因和转座子。同时,研究团队还在许多位点上进行了序列的插入和增改,以让它更稳定,更适合外源基因的插入。

合成的染色体synIII设计图

合成的染色体synIII设计图;研究团队将染色体变得更加短小精悍又实用。标注部分是在原有染色体上做出的修改,包括对称重组位点(loxPSym)的插入(青色),终止密码子的改变(红色)和同义密码子的替换(蓝色);黄褐色区域是删除的部分,两端有重组位点。

与原核生物不同的是,真核生物的基因组更加冗杂。基因组不像大肠杆菌只有一个大环状DNA,而是许多线状的染色体;不仅在编码基因的内部存在内含子,不同非编码区担负的功能也各异,更是有承担着丝粒、端粒等特殊结构的功能序列。如果各个片段的排布异常,染色体的结构可能会变得不稳定,从而容易丢失。这种复杂性无疑给真核染色体的合成增加了难度。这项研究的意义不仅在于能够将人工设计的真核染色体进行全合成,更重要的是,这一发生剧烈变化染色体能在酵母细胞中保留并发挥功能。这对今后重要的功能微生物的合成带来了动力。

研究过程中,科学家们借助电脑软件设计出染色体的结构,随后将其分成许多“构建单元”,即700至800碱基对左右相互覆盖的DNA片段,分别合成;然后利用覆盖区域的特异序列将它们逐个“粘合”。在框架搭好后,研究者们利用了“基因洗牌”的方法,将不同的基因片段随机相互组合,并培养相应的酵母,通过它们的表现——菌落大小、生长曲线,以及不同条件下的细胞形态——来判断组合的优劣,越接近野生的越好。

早在分子生物学兴起的伊始,生物学家们就开始尝试构建模式生物作为研究工具——它们的遗传背景清晰,且能够相对便利地进行基因操作,便于控制实验变量。而作为原核生物的代表,大肠杆菌更是早早地被人攻破,很快成为最基础的模式物种之一。真核生物虽然也有人工染色体,但由于其大多是改造的原有染色体,常常含有许多的冗余部分,比如假基因和转座子。重新合成人工染色体,无异于从头设计它应有的功能,便于科研人员更便捷地进行功能基因组学的研究。而这项动用了美、中、澳、新加坡和英国科研力量的大手笔,无疑是合成生物学上的里程碑。

伯克博士说,这个团队的下个目标是利用这次的经验,更快更好地合成酵母基因组中更大的染色体,同时在过程中加深对酵母不同基因功能的理解。