全球研究人员致力于创造首个合成真核生物基因组

世界各地的研究人员和学生正一个接一个地合作，创造第一个合成的真核基因组。资料来源:SARAH RICHARDSON

十年前，当遗传学家罗纳德·戴维斯第一次提出他的同事试图创造人工酵母染色体并将其植入活细胞时，杰夫·博克并没有太多想法。戴维斯是一位幻想家，在加州斯坦福大学医学院工作。他指出实验室酵母是当时合成生物学领域的下一个发展方向。然而，伯克并不理解复制自然界现有物质的重要性，设计和合成一个包含1250万个碱基的基因组的任务如此之重，以至于甚至不可能实现。当时，伯克在2004年西雅图的酵母遗传学会议上听到了戴维斯的演讲，他“一直在思考为什么他应该这么做”

这是什么意思？

时代变了。伯克和他的同事最近在纽约大学朗格医学中心就职，他们已经完成了第一个完整的合成酵母染色体，并试图整合几个染色体，这要归功于DNA生产技术的进步和全球合作者团队(主要是大学生)。

其他研究人员已经合成了细菌的整个基因组，但是酵母基因的工作更加复杂。如果伯克和他的团队在研发上成功，他们将获得广泛的利益。"它给了我们充分探索酵母基因的能力."戴维斯说，“如果人们真的想了解一个有机体，他们应该能够设计或重新设计它。”

酵母是生物学家探索真核生物基本细胞和代谢过程的主要力量。1996年，它成为第一个基因组被解码的真核生物。从那以后，酵母遗传学家分析了所有基因和它们编码的蛋白质之间的相互作用。由于酵母可以很容易地通过同源重组过程吸收外部基因，因此它是唯一一种生物学家可以很容易地实现特定的DNA碱基长时间变异的生物。

伯克团队的基因组合成将是最后的修改。在他们的工作完成后，改良的酿酒酵母2.0(Sc2.0)将不是任何普通的酵母菌株。伯克和他的同事处理普通的酵母基因，并在适当的条件下重组它们，以产生更优化的性能，并帮助生物学家理解每个基因的作用。

然而，直到最近，没有人知道真正的合成染色体是否能维持真核生物的生命。当伯克第一次试图构建酵母9号染色体的一小部分(仅包含90，000个碱基)时，还没有人构建过如此长的染色体。现在基因公司已经能够构建更长的染色体，几个不同国家的实验室可以分享合成酵母染色体的结果。这些进展使伯克对在4年内实验室中复制含有所有酵母基因的活酵母充满了希望。“我们正在创造历史。”中国清华大学的分子生物学家和Sc2.0合作者戴俊彪说。

艰难的开始

2006年，博克还在约翰·霍普金斯大学工作。在他的同事斯里尼瓦桑·钱德拉塞加兰的建议下，他开始改变他对酵母合成项目的想法。他们两人和戴维斯决定从9号染色体上的9000个碱基开始。他们选择了9号染色体臂的自然序列，然后添加了可以根据其排列而改变的DNA。他们在每一个不必要的基因末端插入一个叫做loxP的短序列，当酵母活着的时候，这个序列可以被移除或改变。它们也在重要的位置着陆loxP，如染色体的端粒或着丝粒的中心。LoxP是标准分子生物学工具的一部分。当被加入细胞的化学物质激活时，它开始在染色体上玩“抢椅子游戏”。最终结果是基因重组产生不同特性的酵母菌株。伯克和他的同事称之为系统加扰。

为了增加基因组的稳定性，伯克的团队挑选了可以随时跳到新位置的可移动的DNA元素，如还原性转座子。

伯克和他的同事还对设计进行了另外两处修改。在整个基因组中，他们插入了特定的短的DNA序列，可以通过聚合酶链式反应进行检测，从而将每条合成染色体与天然染色体区分开来。最后，他们随机修复了真核生物基因组中的一些自然终止密码子，这些密码子会告诉细胞何时停止产生核糖核酸。在9号染色体的臂上，研究人员通过转换碱基上的鸟嘌呤和腺嘌呤，将每个终止密码子“TAG”转换成“TAA”。在完整的合成基因组中，他们将进行1000多次这样的替换。因此，“停止”信号仍然存在，但方式不同。但是，如果研究人员将一种人工氨基酸放入酵母中，提高其性能，“标签”就变成了人工氨基酸的密码子。

在约翰·霍普金斯大学计算机科学家乔尔·巴德开发的软件程序的帮助下，伯克设计了包含所有变化的9号染色体臂，并尽可能仔细地检查以确认添加的碱基不会影响其他酵母基因的表达。然后，他与生物技术公司密码子装置合作合成染色体臂。

11个月过去了，从未尝试过操作如此长的一段DNA的密码子装置还没有收到任何消息。“这压力很大。”伯克回忆道。

然而，这一黑暗时期令人鼓舞。伯克想知道，如果他设立了一门致力于构建合成酵母基因组的课程，他是否能加快这一过程，降低成本，并让其他人了解分子生物学。2007年，在他知道9号染色体臂的手术可以完成之前，他在一所暑期学校将这个想法付诸实践。六年后的今天，霍普金斯大学的这门课程总是人满为患，即使是在周五晚上。

国际合作

密码子装置最终转移了90，000碱基的环状染色体。伯克和他的同事成功地将它插入酵母中几个月，移除了9号染色体的自然臂并测试了它的效果。合成染色体臂运行平稳，产生健康的酵母和合理的基因表达。伯克的团队在2011年的《自然》杂志上发表了这份报告。

扰频系统工作良好。由加扰系统产生的酵母携带的Cre重组酶DNA被高度修饰，并且可以随机删除或翻转任何一对loxP位置中间的DNA。“我们知道设计是成功的。”伯克说，“我们希望扩大实验范围。”

与此同时，参加最初暑期课程和后来课程的学生开始操作染色体3。49名学生在一年半的时间里构建了272871个合成染色体碱基。在博克的博士后学生纳拉亚娜·安那鲁鲁和海斯·穆勒的指导下，他们的研究结果最近发表在《科学》杂志上。

"他们创造了一些相当戏剧性的变化。"加拿大蒙特利尔大学的酵母系统生物学家迈克·泰勒说。

国际合作也在逐步形成。伦敦帝国理工学院的合成生物学家汤姆·伊莱斯在2013年7月帮助组织了第二次Sc2.0会议，此前英国*在一个更大的合成生物学会议上宣布将为合成酵母基因组项目提供100万英镑。博克说，其他国家也将参与。

合作伙伴希望酵母染色体能在两年内聚合在一起。伯克需要克服将它们整合到有机体中的困难。“我们很惊讶这个想法会让这么多人和组织参与不同染色体的构建。”伯克的高级实验室协调员卡特里娜·卡拉维利说。(张冬冬)

中国科学新闻(2014-04-02第三版国际版)