日前，中科院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心/植物生理生態(tài)研究所合成生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室覃重軍研究團(tuán)隊(duì)與合作者，在國(guó)際上首次人工創(chuàng)建了單條染色體的真核細(xì)胞：把釀酒酵母細(xì)胞里原本天然的16條染色體，人工融合成單條染色體，且仍具有正常的細(xì)胞功能。既改變了染色體的結(jié)構(gòu)，又仍保有生命的“活性”，人工蛻變出一個(gè)全新細(xì)胞。該成果于北京時(shí)間8月2日在國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊《自然》在線發(fā)表，這項(xiàng)工作完全由中國(guó)科學(xué)家獨(dú)立完成，是在“人造生命”領(lǐng)域具有里程碑意義的重大突破。

釀酒酵母基因1/3與人類同源

生物學(xué)教科書(shū)中，將自然界存在的生命體，分為真核生物和原核生物。所有真核生物細(xì)胞含有的染色體有多條，且都是線型結(jié)構(gòu)，如人類、小鼠、釀酒酵母等都是真核生物。而原核生物細(xì)胞含有的染色體通常只有一條，且是環(huán)型結(jié)構(gòu)，如大腸桿菌、破傷風(fēng)菌等許多細(xì)菌。真核生物能否像原核生物一樣，只用一條染色體來(lái)裝載所有遺傳物質(zhì)并完成正常的細(xì)胞功能呢？覃重軍研究員做出一個(gè)大膽猜想。在這之前，自然界從沒(méi)發(fā)現(xiàn)過(guò)一條染色體的真核生物。覃重軍團(tuán)隊(duì)做出小心求證，他們隨機(jī)把釀酒酵母16條染色體中的任意2條進(jìn)行融合，如此操作了8次，得到一個(gè)驚人的發(fā)現(xiàn)——菌株的生長(zhǎng)速率幾乎不變。這意味著，原先的大膽猜想是有可能實(shí)現(xiàn)的。

為什么選擇釀酒酵母？釀酒酵母是日常發(fā)酵中最常用的生物種類，不僅用于制作面包、啤酒等，還是用于生命科學(xué)研究的代表性真核生物。作為1996年第一個(gè)完成基因組測(cè)序的真核生物，釀酒酵母有16條染色體，其基因約有1/3與人類同源。

探索生命起源與進(jìn)化新范例

覃重軍與薛小莉副研究員“工程化精準(zhǔn)設(shè)計(jì)”了人造酵母染色體的實(shí)驗(yàn)總體方案。博士生邵洋洋從2013年開(kāi)始嘗試并發(fā)展高效的染色體操作方法，歷時(shí)4年，通過(guò)15輪染色體融合，最終成功創(chuàng)建了只有一條線型染色體的單細(xì)胞真核生物釀酒酵母菌株SY14。

雖然在2010年，《科學(xué)》雜志曾報(bào)道，美國(guó)科學(xué)家做出世界首個(gè)“人造生命”：與天然染色體序列幾乎相同的原核生物支原體，但由于科學(xué)家對(duì)其生命密碼沒(méi)有完全掌握，并未對(duì)其進(jìn)行任何改造，只是單純地復(fù)制。以覃重軍課題組為主的研究團(tuán)隊(duì)，真正實(shí)現(xiàn)將真核釀酒酵母天然的16條染色體“合一”，創(chuàng)建為具有完整功能的單條染色體。僅有一條染色體的真核細(xì)胞，打破了教科書(shū)中原核生物與真核生物的界限。該項(xiàng)工作表明，天然復(fù)雜的生命體系也可通過(guò)“人造”變簡(jiǎn)約，自然生命的界限可以被人為打破，甚至可以人工創(chuàng)造全新的自然界不存在的生命，為人類對(duì)生命本質(zhì)的研究開(kāi)辟新的方向。

覃重軍研究組與合成生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室趙國(guó)屏院士研究組、中科院生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究所周金秋研究員研究組、武漢菲沙基因信息有限公司及軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院趙志虎研究員等團(tuán)隊(duì)合作發(fā)現(xiàn)，盡管單條人工染色體的三維結(jié)構(gòu)發(fā)生巨大變化，但SY14酵母在基因組表達(dá)、細(xì)胞復(fù)制周期等變化非常小，仍具有正常細(xì)胞功能。這一發(fā)現(xiàn)顛覆了染色體結(jié)構(gòu)決定基因表達(dá)的傳統(tǒng)觀念，揭示了染色體結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)細(xì)胞生命功能的全新關(guān)系。這是繼人工合成牛胰島素和人工合成酵母丙氨酸轉(zhuǎn)移核糖核酸之后，中國(guó)學(xué)者利用合成科學(xué)策略，探索生命起源與進(jìn)化的重大基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題的新范例。

在醫(yī)藥和工業(yè)發(fā)酵

具有應(yīng)用潛力

此次人造釀酒酵母獲重大突破，將會(huì)給人們的生活帶來(lái)哪些影響？覃重軍介紹，人工合成酵母在醫(yī)藥和工業(yè)發(fā)酵等領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。

比如說(shuō)細(xì)胞衰老問(wèn)題，隨著細(xì)胞分裂次數(shù)增加，染色體末端的端粒長(zhǎng)度會(huì)逐漸縮短，當(dāng)端粒變得不能再短時(shí)，細(xì)胞就會(huì)死亡。人類的過(guò)早衰老與染色體的端粒長(zhǎng)度直接相關(guān)。此外，端粒的縮短還與許多疾病相關(guān)，包括基因突變、腫瘤形成等。由于端粒長(zhǎng)度不一，在藥物開(kāi)發(fā)和篩選時(shí)，需要取多個(gè)端點(diǎn)的平均值，觀測(cè)、計(jì)算均繁復(fù)。與天然酵母的32個(gè)端粒相比，覃重軍研究團(tuán)隊(duì)人工創(chuàng)造的單條線型染色體僅有2個(gè)端粒，很多規(guī)律可以更清晰地得到，為研究人類端粒功能及細(xì)胞衰老提供了很好的模型。此外，由于是重新編排酵母染色體，沒(méi)有導(dǎo)入任何外來(lái)基因，因此這一釀酒酵母仍可食用，未來(lái)可以強(qiáng)化其營(yíng)養(yǎng)成分，向超級(jí)營(yíng)養(yǎng)釀酒酵母發(fā)展。(世聯(lián)博研(Bioexcellence)Bioon.com）

小編推薦會(huì)議   2018單細(xì)胞組學(xué)技術(shù)與應(yīng)用研討會(huì)

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