人工設(shè)計(jì)與合成真核生物釀酒酵母基因組

釀酒酵母是最簡(jiǎn)單的單細(xì)胞真核模式生物，對(duì)其基因組的重新設(shè)計(jì)及人工合成并進(jìn)行功能研究將極大地推動(dòng)人類對(duì)生命理解及改造能力?！搬劸平湍富蚪M合成計(jì)劃”（Sc2.0?項(xiàng)目）是人類首次嘗試改造和從頭合成真核生物。Sc2.0?項(xiàng)目是由美國(guó)科學(xué)院院士?Jef Boeke?發(fā)起，由多國(guó)研究機(jī)構(gòu)參與并分工協(xié)作，對(duì)真核模式生物釀酒酵母?16?條染色體進(jìn)行人工重新設(shè)計(jì)和化學(xué)再造，是繼原核支原體基因組合成項(xiàng)目之后，合成生物學(xué)領(lǐng)域的又一重大標(biāo)志性國(guó)際合作項(xiàng)目。最先完成的是?3?號(hào)染色體的全合成與替換，2014?年在?Science?雜志報(bào)道。2017?年，Science?雜志以封面、專刊的形式同時(shí)發(fā)表了介紹“人工合成酵母基因組計(jì)劃”已完成?2?號(hào)、5?號(hào)、6?號(hào)、10?號(hào)和12?號(hào)這?5?條染色體的從頭設(shè)計(jì)與全合成的研究，研究人員把經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)的人工合成染色體導(dǎo)入釀酒酵母中，并保證帶有人工合成染色體的酵母菌仍能夠正常存活。我國(guó)天津大學(xué)、清華大學(xué)、華大基因研究院和?Boeke?院士一起合作，完成了其中?4?條染色體的全合成及功能驗(yàn)證，進(jìn)一步證明了人工合成生命體系的可行性。對(duì)酵母?16?條染色體的人工設(shè)計(jì)內(nèi)容，包括終止密碼?TAG?被?TAA?代替，引入了?loxP?重組位點(diǎn)可以允許基因組的快速改變，引入?PCR?檢測(cè)標(biāo)記及限制性內(nèi)切酶識(shí)別位點(diǎn)，以及敲除?tRNA?及重復(fù)序列等。這些設(shè)計(jì)及改變不會(huì)對(duì)酵母的生長(zhǎng)有明顯的影響等。前期人工合成和構(gòu)建的釀酒酵母染色體引入了很多?loxP?重組位點(diǎn)，誘導(dǎo)?Cre?切割?loxP?位點(diǎn)，任意兩個(gè)?loxP?重組位點(diǎn)之間的序列可以發(fā)生倒轉(zhuǎn)、缺失或重復(fù)。這個(gè)技術(shù)被稱為?SCRaMbLE，可以用于染色體快速重排。通過(guò)定向篩選，可以很快找到對(duì)微生物細(xì)胞工廠性能提升、生命快速進(jìn)化和人類染色體異常疾病等研究有用的菌株。

2018?年，以中國(guó)科學(xué)院覃重軍研究組為主的研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)?15?輪的染色體融合將釀酒酵母天然的?16?條染色體逐一融合，人工創(chuàng)建了只含有單條線型染色體的酵母細(xì)胞（SY14）。在染色體的人工逐一融合過(guò)程中，構(gòu)建了從?SY0?到?SY13?的染色體數(shù)目不斷減少的一系列中間菌株，最終構(gòu)建的?SY14?菌株刪除了?15?個(gè)著絲粒、30?個(gè)端粒、19?個(gè)長(zhǎng)的重復(fù)序列（圖?1）。單條染色體在三維結(jié)構(gòu)上有極大的改變，但是單染色體的酵母具有與野生型細(xì)胞相似的轉(zhuǎn)錄組和表型組。不僅如此，單染色體的酵母還保持了減數(shù)分裂的能力，雖然在產(chǎn)孢和孢子存活率上略有降低。這些都表明單染色體的釀酒酵母可以有正常的細(xì)胞功能。

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