重磅丨天大、清华、华大基因4篇Science报道合成生物学重大进展丨BioArt聚焦
BioArt按：3月9日，Science杂志重磅推出酵母合成生物特刊共7篇研究长文（Research Article），有4篇来自国内，其中天津大学元英进课题组两篇，深圳华大基因杨焕明院士和爱丁堡大学Yizhi Cai领导的合作小组有一篇，清华大学生科院戴俊彪课题组一篇。值得一提的是，这7项研究工作紧密相连，主要由中、美、法三国科学家领导完成，其中元英进作为通讯作者两篇文章外还在另外三篇有署名；爱丁堡大学的Yizhi Cai除了和杨焕明院士共同署名通讯作者之外还在另外6篇文章中也有署名。中国科学家之外三篇论文分别是由约翰霍普金斯大学Joel S. Bader和纽约大学Jef D. Boeke 、纽约大学Jef D. Boeke、法国巴斯德所Héloïse Muller和 Romain Koszul领导的课题组完成。
以上为国内主要完成的四篇研究论文
以上为国外其他课题组完成的3篇论文
Science这一期特刊同时也引来众多国际媒体的关注，专业学术媒体STAT和The Scientist也做了相关报道。
研究背景：
2008年，J. Craig Venter Institute独立完成了支原体基因组的人工合成；2010年，J. Craig Venter Institute又实现了由化学合成的基因组所控制的细菌细胞的创造，论文报告了从数字化的基因组信息开始，设计、合成和组装了一个1.08 兆碱基对的蕈状支原体基因组，将其移植进一个山羊支原体受体细胞，从而创造了一个仅由合成染色体控制的新的蕈状支原体细胞，该研究是科学史上具有里程碑意义的突破。
2014年，由约翰霍普金斯大学 Jef D. Boeke等领导的小组实现了首条酵母染色体（ S. cerevisiae chromosome III）的合成。
为彻底完成设计和化学再造完整的酿酒酵母基因组（16条染色体，12Mb碱基数），美国科学院院士Jef Boeke倡导发起了酿酒酵母基因组合成计划(Sc2.0 project)，这是合成基因组学(Synthetic genomics)研究的标志性国际合作项目。该项目主要由美、中、英、法、澳、新加坡等国家的研究机构参与与分工协作。
据天津大学官方微信报道：
天津大学化工学院系统生物工程教育部重点实验室元英进团队完成两项工作分别为《化学合成十号染色体缺陷靶点定位与生长表征》与《完美设计合成五号染色体及其环化表型研究》。
在第一项工作中，报道了全化学合成重新设计的真核生物酿酒酵母十号染色体，长达707 Kb，创建了一种高效定位生长缺陷靶点的方法（pooled PCRTag mapping[PoPM]），解决了合成型基因组导致细胞失活的难题，并且提供了一种表型和基因型关联分析的新策略，有助于延伸对基因组和细胞功能的认知；首次报道了精确匹配设计序列的真核生物染色体的化学合成，验证和评判了当前真核生物人工染色体的设计原则。这项研究创建了基因组缺陷靶点快速定位与精确修复方法，解决了化学合成染色体导致细胞失活的难题，所得到的化学合成酵母染色体具备完整的生命活性，能够成功调控酵母的生长，并具备各种环境响应能力。此方法已经成为国际人工基因组合成研究的普适方法。天津大学博士生吴毅和天津大学国家优青获得者李炳志是本文的共同第一作者。
酵母十号染色体合成流程图
在第二项工作中，通过设计合成五号染色体，报道了精确匹配人工设计序列的真核生物染色体（酿酒酵母V号染色体）的化学合成，为理解和评判当前真核生物化学合成染色体的设计原则与设计方法提供了实验验证和数据支持。同时，创建了酿酒酵母人工环形染色体，为研究染色体重排、癌症、衰老、人类染色体异常疾病等提供了新的研究思路和研究模型。天津大学博士生谢泽雄和天津大学国家优青获得者李炳志是本文的共同第一作者。
酵母5号染色体设计流程图
另，由深圳华大基因研究院杨焕明院士和爱丁堡大学Yizhi Cai领导完成的项目是共同完成了2号染色体的从头设计与全合成(长770 Kb)，合成酵母菌株展现出与野生型高度相似的生命活性。
2号染色体的合成设计方案
此外，清华大学戴俊彪研究团队设计合成了12号染色体，开发了长染色体分级组装的策略，即首先通过大片段合成序列，在六个菌株中分别完成了对染色体不同区域内源DNA的逐步替换；然后利用酵母减数分裂过程中同源重组的特性，将多个菌株中的合成序列进行合并，获得完整的合成型染色体。针对12号染色体上存在的高度重复的核糖体RNA编码基因簇进行删除及工程化改造，并利用修改后的重复单元在基因组多个位点重建了核糖体RNA编码基因簇。该工作奠定了未来对其他超大、结构超复杂的基因组进行设计与编写的基础，同时也证明了酵母基因组中rDNA（核糖体DNA）区域及其他序列均具有惊人的灵活度与可塑性。（引自人民网）
国外的几个小组中，Jef D. Boeke等还完成了6号染色体的合成（2014年已经合成了3号）。
值得一提的是，杨焕明院士在接受《人民网》记者采访时说，
“2000年公布的人类基因组测序，中国只承担了百分之一的工作，这次我们完成了酿酒酵母染色体合成的四分之一，可以说是中国在合成生物学领域取得的突破性成果，进一步奠定了我国在这一领域的国际地位。”
“两相比较，不难看出我们在生命科学研究领域的巨大进步。在酿酒酵母设计与合成研究中，我们已由‘跟跑’转为‘并跑’，今后‘领跑’也不是不可能。”
以上部分内容综合自天津大学微信官网和人民网。
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