合成生物学重大突破:中国科学家创建全球首个单染色体真核细胞

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合成生物学重大突破:中国科学家创建全球首个单染色体真核细胞
麻省理工科技评论 2018年8月3日

2018年8月3日

如果把真核生物的染色体都连在同一个染色体上会怎样?
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如果把真核生物的染色体都连在同一个染色体上会怎样?

不同物种的真核生物细胞有不一样的染色体,而细菌却只有一个环形染色体。那么,如果把真核生物的染色体都连在同一个染色体上会怎样?这会造出超级大的细菌吗?还有一些人在设想这一场景时认为这种生物会直接死掉。

然而,在 8 月 1 日,《自然》杂志同时发表的两个互相独立的研究中,科学家通过融合酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)的 16 条染色体,创造出一种基因组完整、但只含一条或两条染色体的新菌株。他们发现新菌株酵母细胞的生长不存在重大缺陷,仅基因表达有微小的改变。这项研究表明生物体比科学家们之前预想的更能耐受染色体数目和结构的变化。

“这两项研究所完成的基因重组工作可能是迄今最激动人心的,”法国癌症和衰老研究所的遗传学家 Gianni Liti(他没有参与这项研究)说,“这些编辑过的细胞可以存活真的很让人惊讶。”Liti 还在《自然》杂志中写了一篇附带的评论。

不同的真核生物之间染色体数量差异很大:人类有 46 条染色体,阿根廷平原鼠(Tympanoctomys barrerae)为 102 条,而雄性杰克跳线蚂蚁(Myrmecia pilosula)仅为一条。“在我看来,真核生物的染色体数目是随机的,”中国科学院的遗传学家覃重军说,他是其中一项研究的作者之一。“所以我想如果我们能创造出一条染色体,那么我们就可以回答很多问题了,比如说:生命体对染色体总数变异的耐受程度如何?”

为了创建只含有单一染色体的活酵母细胞,覃重军和他的同事们用 CRISPR-Cas9 技术来切割和融合结构端粒旁边的序列,从而将两条染色体融合在一起。端粒就是位于每条染色体顶端的重复序列。他们还移除了每对染色体中一条染色体的着丝粒,从而确保融合产物只有一个着丝粒——因为具有多个着丝粒的染色体是不稳定的。

在世界的另一边,纽约大学朗格尼医学中心的遗传学家 Jef Boeke 和他的同事们也在琢磨如何使用类似的技术来融合酵母的染色体。Boeke 说,他的团队先前在开展项目 Synthetic Yeast 2.0(该项目旨在从头开始创建酵母染色体)之时,他就有了进行这项研究的想法。

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这些研究人员通过融合酿酒酵母的染色体也得到了有活力的新菌株。但与覃重军研究组不同的是,Boeke 的团队无法生产出仅具有单一染色体的功能性酵母菌株; 他们只能将染色体数量减少到两条。Boeke 解释说,这种差异跟很多因素有关,其中最大的影响因素是尺寸。他指出,覃重军研究组从他们的酵母染色体中删除了更多的重复序列,因此“他们的酵母基因组可能低于总大小的最大阈值,而我们则高于这个阈值。

不过,相同的是,两个团队的合成酵母都只表现出轻微的生长缺陷和基因表达变化。“对我来说,这些结果很令人惊讶,”西雅图华盛顿大学计算生物学家威廉·诺布尔(他没有参与这项工作)说,“我原以为会产生更大的影响。”

加拿大拉瓦尔大学的进化遗传学家 Christian Landry(没有参与这两项研究)也表示对此结果很惊讶——尽管基因组的三维结构发生了重大变化,但基因表达却只发生了微小变化。“在此之前,有很多工作表明基因组在细胞中的组织方式与基因调控息息相关,”他说,“但这项发现改变了我们关于基因组三维组织的认识。”

Noble 指出,虽然合成染色体的整体结构发生了改变,但基因组特定区域之间的局部相互作用还保留着。“整体而言,似乎基因表达和染色质三维结构之间没有很大的关系,但局部而言这种关系可能存在,”他补充道。

此外,两项研究都报道改装过的酵母细胞可以进行繁殖。但 Boeke 的研究小组发现,当拥有 16 条染色体的野生型酵母与染色体较少的酵母交配时,孢子产量随着合成菌株中染色体数量的下降而下降,如野生型酵母和合成的 8 染色体酵母交配几乎不产生孢子。虽然这种效应背后的机制尚不清楚,但 Boeke 说这种效应有利于合成酵母的未来应用,例如生物传感器。因为该方法可以提供一种生物防护,也就是可以限制工程酵母在需要的特定环境之外的传播。

那在酵母中的这些发现是否会扩展到人类等高等真核生物呢?答案还尚未确定。不过,其中一项研究的共同作者、中科院的生物学家薛小莉指出,有证据表明染色体融合可以自然地发生于具有更复杂基因组的生物体中:比如人类的 2 号染色体似乎是两条猿染色体融合而产生的。

Boeke 说,这些论文“引发了很多新问题”。因此,研究人员们计划进一步探究创造的酵母新菌株,以解决有关染色体生物学的问题,例如结构如何影响基因表达。

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