清華生命學(xué)院戴俊彪研究組發(fā)文報(bào)道釀酒酵母十二號(hào)染色體的設(shè)計(jì)合成
戴俊彪在實(shí)驗(yàn)室。 沈伯韓 攝
清華新聞網(wǎng)3月10日電 （通訊員 李春園 李冰淞 李天一 秦琴 張維民） 3月10日，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院戴俊彪研究組在《科學(xué)》（Science）期刊發(fā)表題為《在百萬(wàn)級(jí)堿基量級(jí)合成染色體上編輯核糖體DNA》（"Engineering the ribosomal DNA in a megabase synthetic chromosome"）長(zhǎng)文（Research Article），成功實(shí)現(xiàn)了釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）十二號(hào)染色體的人工設(shè)計(jì)與合成。人工釀酒酵母的十二號(hào)染色體是目前世界上發(fā)現(xiàn)的最長(zhǎng)真核線(xiàn)性染色體，全長(zhǎng)為976067個(gè)堿基。
戴俊彪研究組基于原始?jí)A基序列設(shè)計(jì)出新的堿基序列，并通過(guò)自主開(kāi)發(fā)的分層組裝和后續(xù)改造方案最終獲得可在釀酒酵母體內(nèi)正常發(fā)揮功能的合成十二號(hào)染色體（synXII），并對(duì)十二號(hào)染色體上編碼核糖體RNA的DNA序列（rDNA）開(kāi)展了一系列工程化改造。
戴俊彪研究組對(duì)釀酒酵染色體進(jìn)行合成改造。 沈伯韓 攝
本期《科學(xué)》雜志以釀酒酵母合成染色體作為主題和封面，同期刊出了戴俊彪研究組合作參與，由美國(guó)紐約大學(xué)主要完成的六號(hào)染色體、華大基因和英國(guó)愛(ài)丁堡大學(xué)共同完成的二號(hào)染色體、天津大學(xué)主要完成的五號(hào)染色體，以及法國(guó)巴斯德研究所主要完成的合成染色體3D結(jié)構(gòu)等系列研究工作。
能否在實(shí)驗(yàn)室構(gòu)造具有生命特性的細(xì)胞一直是生命研究領(lǐng)域一個(gè)重要挑戰(zhàn)，也體現(xiàn)了人類(lèi)對(duì)生命起源的不懈探索。隨著DNA合成技術(shù)的不斷發(fā)展，很多基因材料都可被化學(xué)合成出來(lái)。時(shí)至今日，科學(xué)家已完成了病毒、噬菌體、細(xì)菌等物種的基因組設(shè)計(jì)與構(gòu)建，相關(guān)人工合成的基因組能正常地完成自我復(fù)制和繁衍等生物功能。
最近，來(lái)自美、中、英、澳大利亞和新加坡的科學(xué)家形成國(guó)際聯(lián)盟，共同開(kāi)展第一個(gè)真核生物——釀酒酵母基因組的重新設(shè)計(jì)與建造，該項(xiàng)基因組工程被簡(jiǎn)稱(chēng)為Sc2.0。該工程強(qiáng)調(diào)對(duì)基因組的整體設(shè)計(jì)，包括消除基因組中的轉(zhuǎn)座子、重復(fù)序列等可能的冗余元件，同時(shí)加入一些特定的元件，如可以使基因組發(fā)生大規(guī)模變化的loxP序列等。Sc2.0計(jì)劃基于“構(gòu)建以助于理解”的合成生物學(xué)理念，通過(guò)對(duì)釀酒酵母基因組的設(shè)計(jì)、合成以及改造，以期能從全基因組水平更透徹地理解遺傳物質(zhì)發(fā)揮功能的生物學(xué)機(jī)制、遺傳信息的傳遞與調(diào)控，從而幫助人類(lèi)有目的地設(shè)計(jì)和改造生命體，實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)功能，有效解決目前面臨的環(huán)境污染、糧食短缺等重大挑戰(zhàn)。
在Sc2.0計(jì)劃中，戴俊彪課題組主要負(fù)責(zé)攻克16條染色體中長(zhǎng)度最長(zhǎng)、功能最為特殊的十二號(hào)染色體的人工合成。天然釀酒酵母十二號(hào)染色體長(zhǎng)度約為250萬(wàn)個(gè)堿基對(duì)，包括長(zhǎng)約109萬(wàn)個(gè)堿基對(duì)的染色體以及一個(gè)由約150個(gè)重復(fù)單元組成的編碼核糖體RNA區(qū)域。后者形成了細(xì)胞核內(nèi)一個(gè)特殊結(jié)構(gòu)——核仁。為了獲得具有完整生物學(xué)功能的釀酒酵母染色體，十二號(hào)染色體的合成首次采用了分級(jí)組裝的策略（見(jiàn)圖1）。首先，通過(guò)大片段合成序列，在六個(gè)菌株中分別完成了對(duì)染色體不同區(qū)域內(nèi)源DNA的逐步替換。然后，利用酵母減數(shù)分裂過(guò)程中同源重組的特性，將多個(gè)菌株中的合成序列進(jìn)行合并，最終獲得完整的合成型染色體。
圖1：分級(jí)組裝和后續(xù)改造十二號(hào)染色體的原理圖。
編碼核糖體RNA的內(nèi)部轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)（ITS）在植物和真菌中一直被當(dāng)作DNA分子標(biāo)簽用于種屬的鑒定。該序列能否被其他生物的相應(yīng)序列替代而混淆物種鑒定是一個(gè)懸而未決的問(wèn)題。在十二號(hào)染色體的組裝過(guò)程中，編碼核糖體RNA區(qū)域首先被完整地保留下來(lái)，接著在合成染色體上完全去除，最后在基因組多個(gè)不同位置上利用修飾過(guò)的rDNA單元進(jìn)行了再生。研究組利用貝酵母（Saccharomyces bayanus）的內(nèi)部轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)序列成功重建并獲得沒(méi)有顯著表型缺陷的酵母。該酵母按照DNA分子標(biāo)簽可以被鑒定為貝酵母，但其基因組中所有其他序列都來(lái)源于釀酒酵母。
十二號(hào)染色體的合成不僅表明我們能設(shè)計(jì)并構(gòu)建獲得含有百萬(wàn)級(jí)堿基的合成染色體，實(shí)現(xiàn)對(duì)高度重復(fù)的編碼核糖體RNA基因簇進(jìn)行編輯與操控，奠定了未來(lái)對(duì)其他超大、結(jié)構(gòu)超復(fù)雜的基因組進(jìn)行設(shè)計(jì)與編寫(xiě)的基礎(chǔ)，同時(shí)也證明了酵母基因組中編碼核糖體RNA區(qū)域及其他序列均具有驚人的靈活度與可塑性。
研究組合成改造人工釀酒酵母染色體。 沈伯韓 攝
3月9日，戴俊彪研究員和Sc2.0計(jì)劃中國(guó)合作組華大基因的楊煥明院士、天津大學(xué)的元英進(jìn)副校長(zhǎng)等共同在清華大學(xué)召開(kāi)媒體見(jiàn)面會(huì)，與人民日?qǐng)?bào)社、新華通訊社、科技日?qǐng)?bào)等多家媒體進(jìn)行座談。戴俊彪詳細(xì)介紹了Sc2.0計(jì)劃的研究背景、概況和主要成果，并闡述了課題組后續(xù)在合成基因組方向的工作和初步成果。楊煥明、元英進(jìn)對(duì)十二號(hào)染色體的合成表示祝賀，對(duì)染色體人工合成的工作予以高度評(píng)價(jià)，并對(duì)合成生物學(xué)的未來(lái)發(fā)展進(jìn)行了展望。
3月9日，參與國(guó)際釀酒酵母基因組合成計(jì)劃的中國(guó)科學(xué)家代表在清華大學(xué)媒體見(jiàn)面會(huì)后合影，自左至右依次為：李炳志、戴俊彪、楊煥明、元英進(jìn)、沈玥。 沈伯韓 攝
清華大學(xué)生命學(xué)院生命科學(xué)聯(lián)合中心博士研究生項(xiàng)目(CLS)五年級(jí)博士生張維民，及生命學(xué)院聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生項(xiàng)目(PTN)六年級(jí)博士生趙廣厚、五年級(jí)博士生羅周卿為本文共同第一作者。清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院戴俊彪研究員為本文通訊作者。清華大學(xué)陳國(guó)強(qiáng)、吳慶余，約翰霍普金斯大學(xué)喬爾巴德（Joel S. Bader），愛(ài)丁堡大學(xué)蔡毅之，紐約大學(xué)杰夫布卡（Jef D. Boeke）及無(wú)錫青蘭生物科技有限公司林繼偉為本研究提供了相關(guān)幫助和支持。清華大學(xué)方劍火提供了基因組和RNA的測(cè)序服務(wù)。本工作獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科技部、教育部博士點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)、中國(guó)高等教育博士項(xiàng)目研究基金會(huì)和清華大學(xué)提供的啟動(dòng)基金等多項(xiàng)經(jīng)費(fèi)支持。
論文鏈接：
http://science.sciencemag.org/content/sci/355/6329/eaaf3981.full.pdf
供稿：生命學(xué)院 編輯：悸寔 華山 徐靜
