再创丨真核细胞合成生物学面临的挑战
（图片来源：V. Summersby / Macmillan Publishers Limited）
原文以The challenges facing synthetic biology in eukaryotes为标题
发布在2018年4月13日的Nature Reviews | Molecular Cell Biology上
原文作者：Francesca Creoni & Tom Ellis
编译：孟凡康
校对：张益豪
在模式微生物中，合成生物学正在成长为一门成熟的工程学科，但是对于大多数真核生物来说，这一目标还很遥远。在这篇文章中，Francesca Creoni和Tom Ellis描述了目前合成生物学在真核细胞中面临的困难，同时指出哪些方面将有助于真核细胞合成生物学的未来发展。
合成生物学的当红明星
合成生物学经过近20年的快速发展，整个领域的关注点已经逐渐从小型的遗传线路设计转移到更大的生物系统设计和改造之中，比如正在进行的国际基因组计划（酵母基因组合成计划Sc2.0，人类基因组编写计划 Human Genome Project-Write），并且出现了很多基于合成生物学技术的高市值生物公司。大多数可以称为生物工程的基础工作已经在细菌中完成，尤其是大肠杆菌。现在来说，我们可以在微生物中实现计数、计算、感知、视觉，让细菌响应一系列有趣的化学物质，执行医药或者工业领域需求的任务。所有这些能够成功实现均归功于科学界对于大肠杆菌的全面且详细的研究成果。然而，相比于自然界的大部分真核生物所能为合成生物学提供的可能性，大肠杆菌这种简单的生物相对来说让人感到挺“无聊”的。
对于真核合成生物学来说，目前的主要进展集中在酿酒酵母，因为它和大肠杆菌一样，科学界对其研究比较详细，同时它的生长速度较快并且转化很稳定。正因如此，酿酒酵母非常适合工程化改造，比如生物代谢通路合成或者基因组再编程设计。然而，酿酒酵母并不能成为所有真核细胞的代表，尤其是改造DNA的时候：它的遗传物质数量相对较少、缺少RNAi、没有选择性剪接，并且几乎没有任何形式的细胞分化过程。我们其实可以称酿酒酵母为真核细胞的“低配版”，它和大肠杆菌一样，只能是生物工程师的初始工具箱或者简化“面包板”。大多数真核细胞的工程化面临着更多的难题，包括更多层次的调控方式、细胞分化、多细胞系统的特殊性。然而，正是真核细胞自身的特殊性质吸引着合成生物学家，其潜在的应用绝对不仅仅是在生物物质合成方面。包括我们自身，还有大多数我们食用的物质在内均是真核细胞，所以很明显我们应该推动合成生物学在复杂真核生物系统中的发展，这将促进能源、农业和生物医疗领域的进步。
真核细胞的多样性和多细胞性
所以主要是什么因素限制了真核细胞的工程化改造，包括丝状真菌、蠕虫、苔藓、果蝇、树木、鱼类、香蕉、人类、硅藻和鼻涕虫？首先，正是真核细胞最吸引人的的多样性（Diversity）和多细胞性（Multicellularity）反而限制着工程化的进展。真核细胞的多样性虽然令人着迷，但这意味着实际研究中不可能只关注于单一的模式生物或者细胞系，也就是说我们研究的细胞并不能代表整个真核生物界、属群或者种类。目前来说，我们对不同生物的遗传操作所知甚少，而合成生物学的进一步发展又需要更深度的知识和更加高效的工具。如果人人同意只在一系列模式生物比如小鼠、果蝇和拟南芥进行实验，或许可预测的真核生物工程化设计和改造可以得到快速的发展。虽然这会提高这些模式生物的可工程化水平，但是这种方案是否实现广泛的受益仍是值得争论的，因为在模式生物中获得的知识或者开发的技术很有可能不能直接转移到其他真核生物之中，比如人类、蚊子或者水稻。
多细胞性是真核系统中的非常值得探索的宝贵资源，但是这一点也极具挑战性，尤其是对于需要对多种细胞类型进行工程化的哺乳细胞合成生物学。例如，我们是否足够了解人工构建的遗传系统是否可以在一个生物的所有的细胞类型中发挥相同的功能？或者，这种遗传系统是否只能在特定的细胞中发挥作用？目前我们对组织特异性工具如转录因子的了解是受限的。为了能够推进研究，我们一般在能够快速生长和容易转化的细胞系中进行基础的研究工作。然而细胞系本身和其生长的条件并不一定能够代表其来源的生物，因为这些细胞大多来自癌症细胞。这些细胞更易于出现基因组水平的片段重组 、基因突变和表观遗传改变，所以真核基因组工程想要实现鲁棒性将会面临更多的挑战。多能干细胞研究的进步有望解决其中的一些问题，同时提供给我们一个新的关注点，尤其是在发展人类合成生物学和组织、器官的再生和利用等应用方面。
真核DNA的挑战
细胞系如此受到欢迎的一部分原因在于DNA基因线路难以转化进大部分的普通真核细胞中。实际上，【除了糟糕的转化率之外没有任何其他的因素在限制真核合成生物学的发展】这种说法是很公平的。此外，缓慢的生长速度意味着科研人员需要花费数月的时间使多基因遗传系统稳定的整合进真核细胞的基因组中。稳定的转化可以有效的避免短期效应（short-term performance）和瞬时转染的多变性（high variability of transient transfections）。病毒可以作为将DNA递送进真核细胞的有力工具。但是我们仍需要更多的努力构建模块化的病毒载体，使其能够高效的将大的DNA构建递送进真核细胞，并且可以靶向多种宿主细胞。这将使真核合成生物学极大的受益。
将DNA准确的插入基因组中同样面临很大的挑战。基于CRISPR的编辑工具，加上预先工程化的细胞系（拥有”着陆架”（landing pad），DNA构建可以稳定的整合进特定位点，这类特定位点称为“landing pad”）正在助力科研人员解决这个问题。人造染色体则提供了另一种替代选择：这种方案可以实现承载多种人工构建的同时不破坏细胞自身的基因组。尽管人类人造染色体和其相关的研究已经进行了数十年，但合成生物学领域研究人员应当尝试构建构建新一代版本的人造染色体：其不仅仅要成为长期稳定可靠的载体，同时要具有兼容性，可以在不同的生物之中进行转移。合成生物学团体应该致力于建立模块化的“Neochromosomes”以用于真核细胞的不同分支，这将具有极大的价值，并且很有希望加速标准化DNA模块和工具的使用与推广。
DNA的模块化编程在合成生物学领域已经相对成熟，但是真核染色质的复杂度、选择性剪接和翻译后修饰提供了更加丰富多样的基因调节机制，不仅仅是大肠杆菌或者酵母中基础的转录调控反馈。我们目前设计基因线路的方法主要基于简单的质粒实现，通过合成或者编辑DNA赋予其特定的功能。但是，如果除了DNA，我们可以模块化的编写染色体呢？基因和通路可以打包进类似于染色质的结构中，这些染色质结构通过一些染色质重塑因子（chromating remodelling factors）就能实现激活或者沉默。这将允许同时调控更多的基因线路或者功能模块。近期，正交的合成染色质重塑因子的相关进展为这一方向的发展提供了可能。
发展的机遇
正交化—将工程化的系统和宿主相互隔离（功能或者空间上），互不干扰—可以利用亚细胞区室化（Subcellular Compartmentalization）实现。我们可以从真核细胞器中获得一些灵感：线粒体和叶绿这类细胞器可以操作他们自己的基因程序；过氧物酶体这类的细胞器，可以执行隔离的代谢反应。我们可以设计人造的细胞器来执行基因程序、蛋白质-蛋白质相互作用或者代谢通路反应，从而最小化人造系统与宿主的的相互影响。这将极大的减少在复杂生物系统中工程化设计时需要考虑的因素。
在细菌中，转录组数据和全细胞建模的方法正在帮助我们减少工程化系统中遇到的挑战，这些策略可以提高人工构建系统的刻画效果，使得人工构建系统在宿主的动态预测成为可能。考虑到许多生物组学数据激增，尤其是主要的哺乳动物模型，这些策略在大多数真核细胞中也可以成为一种可靠的研究方法。最后，我们对于宿主的基础生物学和宿主与人工构建系统的相互影响了解越多，真核合成生物学的发展就会越快。在哺乳动物细胞中实现设计和建造完整基因组的终极目标将需要显著的技术进步，同时也需要我们对真核细胞更多的了解。试图研究和设计细胞的相关研究人员也应该进行更多的交流。
参考文献：
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