“16合1”酵母菌背后的那些事儿

■我们的记者李晨阳

中国科学家首次创造出单个融合染色体酵母的消息在国内外引起了极大关注。

然而，这篇长文并不“孤独”。纽约大学Jef Boeke团队的一篇短文发表在同一期《自然》杂志上。

这两个研究小组独立进行了酵母染色体融合研究，他们都投票给了一份杂志。虽然研究“切题”，但具体的实验和分析各有千秋——这是科学家之间看不到硝烟的竞争。

想法和猜测的冲突

"直到我提交论文，我才听说其他团队也在做类似的工作。"领导这项研究的中国科学院植物生理生态研究所分子植物科学卓越中心的研究员覃重军说。另一方是著名科学家、美国科学院院士伯克和他的强大团队。

回顾这一过程，覃重军告诉《中国科学》的记者，“这不是一场时间赛跑，而是一场思想冲突。”

酿酒酵母是最简单的真核模式生物之一，有16条染色体。中国和美国的科学家都希望挑战最大限度的酵母染色体融合。最后，伯克的团队获得了含有2条染色体的酵母，而中国学者将全部16条染色体融合成一条。

“我们的技术显然更好。”该论文的合著者之一、中国科学院院士赵国平说。

这两个团队之间的差异早在实验设计之初就出现了。

酿酒酵母基因组中存在大量的重复序列。这些在生物体中具有未知功能的基因序列被一些生物学家视为潜在的财富。在实验中，纽约大学的团队希望尽可能保留所有的基因序列。

“我不这么认为。”覃重军说，“我不认为生物学是完美的。这些重复的序列可能是进化过程中的小错误。所以我决定将它们全部移除。事实证明，这种操作使基因组更加稳定，更容易融合。就像建造一座建筑一样，只有在清除垃圾后，这座建筑才会建得更高、更稳定。”

一个“粘粘的”大力士

在这项工作开始之前，覃重军推测染色体融合理论上可能是成功的。唯一让他担心的是焦点。

酿酒酵母在每条染色体上都有一个着丝粒。"像16个背着扁担的小人一样，这些扁担有长有短."覃重军做了一个形象类比。他们所要做的就是删除其中的15个，最后一个着丝粒将带有“16合1”的超级染色体。

谁将选择超级电杆？它会挑吗？

有趣的是，承担最终责任的着丝粒不是来自最大的4号染色体，而是来自另一个更大的15号染色体。

因为研究人员很快发现这个着丝粒非常靠近它两侧的基因。无论如何去除它，都会涉及到一些周围的基因。“所以我们最终不得不离开它。”该团队的副研究员薛晓丽微笑着说道。

15号染色体上的着丝粒也用于纽约大学获得的两条染色体中的一条。

这个着丝粒“依附着人”并且“有强烈的生存欲望”，但它也有真正的技能。融合的单个酵母染色体长达12Mbp，也能正常发挥其功能。“一个平时总是扛10公斤的小家伙变成了一个能扛100公斤的大力士。这是来自大自然的惊喜。”覃重军开玩笑说。

一个不按常规玩的生物难题

人类有46条染色体，狗有78条，蝴蝶有450条，一棵小蕨类有1260条染色体——染色体的数量与生命的复杂性不成比例。这种不按常规玩牌的现象一直令生物学家迷惑不解。

“这是一项非常重要的工作。它证明了进化的染色体数目不一定是最佳的，而是可变的。”中国科学院深圳高级研究所研究员戴俊彪说。

既然酵母只有一条或两条染色体就能活得很好，为什么今天它会进化成16条染色体的状态呢？伯克的团队在论文中认真讨论了这个问题，并提出了三个假设。

首先，它可能与酵母进化中的全基因组复制事件、染色体自发融合和断裂有关。

其次，有16条较小染色体的基因组比那些有几条较大染色体的基因组更容易出现非整倍体。这种变异有时是有害的，但它也有助于酵母快速、可逆地适应严重的环境变化。

最后，染色体的亚端粒区域富含储备基因，这些基因通常受到抑制，但在特定的环境条件下可以特异性表达。因此，更多的端粒有助于生物体更好地调节某些生化过程。这也有助于酵母适应复杂多变的环境。

赵国平还指出，虽然单染色体酵母在单独培养时看起来很正常，但在与野生型酵母竞争时，它有明显的缺点，这也可能意味着多染色体有一定的意义。

戴俊彪说:“在将16条染色体融合成一条染色体后，酵母仍然可以携带它。将来，我们希望用酿酒酵母作为工具来合成更高的基因组，这给了我们理论基础和更大的信心。”

中国科学新闻(2018-08-07第四版)