全球研究人員致力於創造首個合成真核生物基因組—新聞—科學網

2020-11-29 科學網
「理解一種生物體就應該能夠重新設計它」
全球研究人員致力於創造首個合成真核生物基因組
構建酵母基因組終極大廈

一個染色體接著一個染色體，全球的研究人員和學生正在共同致力於創造首個合成真核生物基因組。圖片來源：SARAH RICHARDSON

 

10年前，當遺傳學家Ronald Davis首次提出，他的同事正在嘗試創造人工酵母染色體，並將其放入活細胞時，Jef Boeke並沒有太多想法。Davis就職於美國加州史丹福大學醫學院，是一個有遠見的人。他提出，實驗室酵母是當時合成生物學領域的下一個發展方向。不過，Boeke並不理解複製自然界已有的物質意義何在，而且設計與合成含1250萬個鹼基的基因組的任務如此繁重，甚至不可能實現。當時，Boeke在2004年於西雅圖召開的一個酵母遺傳學會議上聽到Davis的講話，他「一直在思考到底為什麼要這樣做」。

 

意義何在

 

時過境遷，最近剛到紐約大學Langone醫學中心就職的Boeke和同事已經完成了首個完整的合成酵母染色體，並正試圖將幾個染色體進行整合，這多虧了DNA製作技術的進步以及全球的合作者團隊（主要是大學生）。

 

其他研究人員早已合成了一種細菌的全部基因組，但是酵母基因的工作更為複雜。如果Boeke及其團隊研發成功，將獲得廣泛的收益。「它給了我們充分探索酵母基因的能力。」Davis稱，「如果人們真的想理解一種生物體，那就應該能夠設計或重新設計它。」

 

酵母是生物學家探索真核生物中基本細胞和代謝過程的主力。1996年，它成為第一個被破譯基因組的真核生物，此後酵母遺傳學家對所有基因及其編碼的蛋白質之間的互動進行分析。由於酵母可以通過同源重組過程輕易地吸收外部基因，因而它在很長一段時間裡是生物學家能很容易實現特定DNA鹼基變異的唯一生物。

 

Boeke的團隊進行的基因組合成將是最終的修改。他們的工作完成之後，經過修改的釀酒酵母2.0（Sc2.0）將不會是任何普通的酵母菌株。Boeke和同事對普通酵母菌基因進行處理，在適當環境下將其重組，使其產生更多優化性能，並有助於生物學家了解每個基因的作用。

 

然而，直到最近，還沒有人知道一個真正的合成染色體是否可以維持真核生命。當Boeke首次試圖構造酵母9號染色體（僅含有9萬個鹼基）的一小部分時，還沒有人構造過如此長的染色體。現在基因公司已經能夠構造更長的染色體，幾個不同國家的實驗室還能分享合成酵母染色體的成果。這些進步令Boeke對4年內在實驗室複製出含有全部酵母基因的活酵母充滿希望。「我們正在創造歷史。」中國北京清華大學的分子生物學家、Sc2.0合作者Junbiao Dai說道。

 

艱難開端

 

2006年，Boeke還在約翰·霍普金斯大學工作，在同事Srinivasan Chandrasegaran的建議下，他開始改變對酵母合成項目的想法。他們二人和Davis決定以9號染色體的9000個鹼基作為開始。他們選擇了9號染色體臂的天然序列，然後加入可以隨其安排而發生變化的DNA。他們在每個不必要的基因尾端插入被稱為loxP的DNA短序列，這些不必要的基因可以在酵母存活的情況下被移除或改變。他們還使loxP著陸於重要的位置，例如染色體端粒處或著絲粒的中心。LoxP是標準分子生物學工具的一部分，當被加入細胞的一種化學物質激活後，它便開始在染色體中進行「搶椅遊戲」。最終的結果是：基因發生重組，產生具有不同特性的酵母菌株。Boeke和同事稱這一系統為SCRaMbLE。

 

為了增加基因組的穩定性，Boeke的團隊摘出了可能隨時跳到新位置的移動DNA元素，如還原轉座子。

 

Boeke和同事還向這一設計加入了兩項其他的修改。在整個基因組中，他們插入特定的可被聚合酶鏈反應檢測到的DNA短序列，該反應能區分每個合成染色體和天然染色體。最後，他們隨意修補了真核生物基因組中的一些天然停止密碼子，這些停止密碼子會告訴細胞何時停止產生RNA。在9號染色體臂上，研究人員通過轉換鹼基上的鳥嘌呤和腺嘌呤，將每個停止密碼子「TAG」轉變成「TAA」。在完整的合成基因組中，他們將進行1000多個這樣的替換。因此，「停止」信號仍然存在，只是換了一種方式。但如果研究人員將一個人造胺基酸放入性能增強的酵母中，「TAG」就成為了人造胺基酸的密碼子。

 

藉助約翰·霍普金斯大學計算機科學家Joel Bader開發的一個軟體程序，Boeke設計了囊括所有變動的9號染色體臂，並儘可能仔細地檢查確認加入的鹼基不會影響其他酵母基因的表達。然後，他與生物科技公司Codon Devices合作合成染色體臂。

 

11個月過去了，從未嘗試過操作如此長段DNA的Codon Devices公司還沒有傳來消息。「這令人緊張。」Boeke回憶道。

 

不過這樣的黑暗時期還是鼓舞人心的。Boeke想知道，如果他建立一個致力於構建合成酵母基因組的課程，是否可以加速該過程，同時降低成本，並讓其他人學到分子生物的知識。2007年，在知道9號染色體臂的操作可以完成的消息之前，他就在一個暑期學校實踐了這一想法。現在，6年過去了，這一門在霍普金斯大學開辦的課程總是人滿為患，即使在周五的晚上。

 

國際合作

 

密碼子設備最終傳送來擁有9萬個鹼基的環狀染色體，Boeke和同事又花費了幾個月成功將其插入酵母，切除了天然的9號染色體臂，並測試其效果。合成染色體臂順利地運行，產生了健康的酵母及合理的基因表達。Boeke的團隊將報告發表在2011年的《自然》上。

 

SCRaMbLE系統運行良好，其產生的酵母攜帶的Cre重組酶DNA被高度修正，可以隨機刪除或翻轉任何一對loxP位置中間的DNA。「我們知道這一設計已經成功。」Boeke說，「我們希望擴大實驗範圍。」

 

與此同時，參加最初開辦的夏季課程和之後課程中的學生開始操作3號染色體。49個學生在1年半的時間裡構造了合成染色體的272871個鹼基。在Boeke的博士後學生Narayana Annaluru和Hélose Muller的引導下，他們的成果最近發表在《科學》雜誌上。

 

「他們創造了一些相當戲劇性的變化。」加拿大蒙特婁大學酵母系統生物學家Mike Tyer表示。

 

國際合作也在逐漸形成。倫敦帝國理工學院的合成生物學家Tom Ellis在2013年7月協助組織了第二次Sc2.0會議，之前在一個更大規模的合成生物學會議上，英國政府宣布將向合成酵母基因組項目提供100萬英鎊的資金。Boeke稱，其他國家也會參與進來。

 

合作夥伴希望，在兩年內可以實現將酵母的染色體聚合到一起。Boeke需要克服把它們融入一個有機體所面臨的困難。「這一想法會帶動如此多的人和組織參與構造不同的染色體，令我們感到驚喜。」Boeke的高級實驗室協調員Katrina Caravelli說道。（張冬冬）

 

《中國科學報》 (2014-04-02 第3版 國際)

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