Nature：中国人工合成生命里程碑，创建国际首例人造单染色体真核细胞
来源 | 中科院之声 / 生物工程学报 / Springer
导读
8月2日，国际顶级学术期刊《自然》（Nature）同时在线发表了2篇将酵母染色体融合的成果。其中一篇来自酵母染色体人工合成领域“老将”、美国科学院院士、纽约大学医学院教授杰夫•博克（Jef Boeke）团队，另一篇则来自中国科学院分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究所合成生物学重点实验室覃重军研究团队及其合作者。覃重军研究团队及其合作者在国际上首次人工创建了单条染色体的真核细胞，是合成生物学领域具有里程碑意义的突破。
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人类能否创造生命？2010年，美国科学家J. Craig Venter团队在《科学》上报道了世界上首个“人造生命”——含有全人工化学合成的与天然染色体序列几乎相同的原核生物支原体，引起轰动。此次，以覃重军研究组为主的研究团队完成了将单细胞真核生物酿酒酵母天然的十六条染色体人工创建为具有完整功能的单条染色体。
该项工作表明，天然复杂的生命体系可以通过人工干预变简约，自然生命的界限可以被人为打破，甚至可以人工创造全新的自然界不存在的生命。
生物学教科书中将自然界存在的生命体分为具有被核膜包裹染色体细胞核的真核生物和染色体裸露无核膜包裹的原核生物。染色体携带了生命体生长与繁殖的遗传信息，真核生物通常含有线型结构的多条染色体，而原核生物通常含有环型结构的一条染色体。
在该研究中，覃重军假设真核生物也能像原核生物一样，用一条线型染色体装载所有遗传物质并完成正常的细胞功能，并与副研究员薛小莉“工程化精准设计”定制人造单染色体酵母的指导原则以及理性分析、实验设计、工程化推进总体方案。
博士研究生邵洋洋从2013年开始尝试并发展高效的染色体操作方法，历经4年时间，通过15轮染色体融合，成功创建了只有一条线型染色体的酿酒酵母菌株SY14。
此后，覃重军研究组进一步与中科院合成生物学重点实验室研究员赵国屏研究组、中科院生物化学与细胞生物学研究所研究员周金秋研究组、武汉菲沙基因信息有限公司及军事医学科学院研究员赵志虎等合作，深入鉴定SY14的代谢、生理和繁殖功能及其染色体的三维结构。
研究发现，虽然人工创建的单条线型染色体的三维结构发生了巨大变化，但SY14酵母具有正常的细胞功能，这颠覆了染色体三维结构决定基因时空表达的传统观念，揭示了染色体三维结构与实现细胞生命功能的全新关系。
该研究成果是通过经典分子生物学“假设驱动”与合成生物学“工程化研究模式”来探索解析生命起源与进化中重大基础科学问题的新范例。将天然复杂的酵母染色体通过人工改造以全新的简约化形式表现出来，是继原核细菌“人造生命”之后的一个重大突破。
单染色体酵母的“诞生”，连同我国科学家参与的酵母染色体全人工合成工作，是继20世纪60年代人工合成结晶牛胰岛素和tRNA之后，中国学者再一次利用合成科学策略，去回答生命科学领域一个重大的基础问题，即建立原核生物与真核生物之间基因组进化的桥梁。这是合成生物学“建物致知”理念的生动体现，为人类对生命本质的研究，开辟了新方向。
酿酒酵母是研究染色体异常的重要模型，1/3基因与具有23对染色体的人类基因同源。端粒是线型染色体末端的保护结构。随着细胞分裂次数的增加，端粒的长度逐渐缩短，当端粒变得不能再短时，细胞就会死亡。人类的过早衰老与染色体的端粒长度直接相关。
此外，端粒的缩短还与基因突变，肿瘤形成等许多疾病相关。与天然酵母的32个端粒相比，覃重军研究团队人工创造的单条线型染色体仅有2个端粒，为研究人类端粒功能及细胞衰老提供很好的模型。
覃重军研究团队在讨论实验进展，左起分别是：覃重军、鲁宁、邵洋洋、薛小莉 杨正行摄
该研究得到了中科院战略性先导科技专项“细胞命运可塑性的分子机制与调控”，以及国家自然科学基金委、科技部等的资助。
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2010年5月20日，J. Craig Venter私立研究所 (J. Craig Venter Institute) 的一个20多人的科研小组在美国Science杂志上报道了首例人造细胞的诞生。这是一个山羊支原体Mycoplasma capricolum细胞，但细胞中的遗传物质却是依照另一个物种即蕈状支原体Mycoplasma mycoides的基因组人工合成而来，产生的人造细胞表现出的是后者的生命特性。这是地球上第一个由人类制造并能够自我复制的新物种。Craig Venter的团队将这一人造细胞称作“Synthia”(意为：合成体)。
回顾Venter团队制造人造细胞的研究历程，这项工作早在1995年就开始了。在2007年，Venter团队就已经掌握了在这两种支原体中进行基因组转移的技术，只不过当时的操作对象是蕈状支原体内的天然DNA。2008年2月，Venter团队又成功地合成了另一种原核生物——生殖支原体Mycoplasma genitalium的基因组DNA。人造细胞“Synthia”就是将以上两种技术合而为一的结果。
支原体是目前发现的最小、最简单的具有自我繁殖能力的细胞，其基因组也是原核生物中最小的，因此便于操作。尽管Venter团队已经能够合成生殖支原体的基因组，但由于生殖支原体生长极其缓慢，因此研究者选择了生长较快的蕈状支原体和山羊支原体作为实验对象，分4个步骤完成实验：1) 合成供体的基因组 DNA；2) 合成 DNA 片段的拼接；3) 人工基因组的甲基化修饰；4) 人工基因组移植入受体细胞。
其实，嵌合体细胞应用遗传工程手段早已实现。而Venter的“人造细胞”也只是遗传物质由人工合成，其他组分均来自于已有的生命形式。因此，一些媒体采用“首个人造生命”的说法言之过甚。相反，Venter等人在Science上的文章题目“创造由化学合成基因组控制的细菌细胞”更为严谨、客观。但是无论如何，这项当时孕育15年、耗资4 000万美元的科技成果，毕竟是生命科学发展的一大进步，在合成生物学发展史上具有里程碑意义。
继DNA双螺旋发现和”人类基因组测序计划”之后，以基因组设计合成为标志的合成生物学引发第三次生物技术革命。如果说基因测序是“读”基因，那么合成生物学就是“写”基因。由美国科学院院士Jef D. Boeke发起，有美国、中国、英国、法国、澳大利亚、新加坡等多国研究机构参与并分工协作的“人工合成酵母基因组计划” (Sc2.0 计划, http://syntheticyeast.org/) 是人类首次尝试改造并从头合成真核生物，旨在重新设计并合成酿酒酵母的全部16条染色体长约1200万碱基对，这个任务也是“基因组计划-Write”中的首要任务。2014年，Boeke及另一个研究小组的研究人员一起合成了首条真核细胞染色体——酿酒酵母3号染色体。
《Science》专刊封面。那些长得像草的棒状物是酵母的染色体，金色的部分是人工合成的染色体。人工合成的染色体结构和遗传信息与天然的染色体相似，一圈圈缠绕在一起的像电话线一样是DNA
2017年3月10日，《Science》杂志以7篇论文的专刊及封面文章形式发表了中外科学家利用化学物质成功合成2号、5号、6号、10号和12号5条人工设计的真核生物酿酒酵母染色体。这意味着人类在设计并合成复杂人工生命的过程中取得重大进展。中国研究团队完成了5条中4条染色体的人工合成。清华大学戴俊彪研究员带领的团队完成了最长的12号染色体的全合成。天津大学化工学院元英进教授带领的天津大学团队完成了5号、10号染色体的合成。杨焕明院士领衔的华大基因团队，主导了2号染色体的从头设计与全合成。中国团队参与该项目得到了科技部国家863计划“合成生物技术”重大项目的大力支持。我国成为继美国之后第二个具备真核基因组设计与构建能力的国家。
参与国际酿酒酵母基因组合成计划的中国科学家代表，自左至右依次为：李炳志、戴俊彪、杨焕明、元英进、沈玥
酿酒酵母是第一个被全基因组测序的真核生物，大尺度的设计和重建酵母基因组是对目前酵母领域知识贮备的真实性、完整性和准确性的一个直接考验。化学合成酵母既能帮助人类深刻理解一些基础生物学问题，又能通过基因组重排系统实现快速进化，得到在医药、能源、环境等领域有重要应用潜力的菌株。
迄今为止人类已合成的6对半酵母染色体示意图。左边是用合成酵母和野生酵母菌落画出来的染色体示意图，金色的是含合成DNA的酵母菌落，蓝色则是野生的
“我们正在进入的真正的基因组学革命是染色体尺度的读和写的交融。" 哈佛大学的George Church说道，他参与了“基因组计划-Write”项目，但是并未参与酵母染色体的人工合成这项最新研究。“这些新工作正是在这个尺度操作的，与改变单个碱基对或者是移植整个基因组相比，一次检测5万对碱基对的作用更合理且更灵活。”
Sc2.0团队首先开发了软件创造不同的染色体设计和规则，例如：
1) 清除单一类型密码子（TAG）、去掉重复序列以及酵母基因组中相对较少的内含子；
2) 在非必需基因下游引入了短的重组位点（IoxP位点），可以此去掉这些非必需基因以研究由此产生的效应；
3) 将酵母合成染色体3上的超过100万对碱基对的重复核糖体DNA转移到其他染色体上，结果表明这组基因的定位很灵活，改变其位置不会对细胞造成副作用。
人造酵母染色体合成流程示意图
合成染色体首先，科学家们要用电脑程序重新设计酵母菌的DNA序列，然后通过化学合成的方式合成出寡核苷酸链（就是超级短的DNA），最后再像拼积木一样一小块一小块从短的到长的拼接出长的DNA。具体是研究者使用化学合成方法合成一系列长度60-80个碱基对的寡核苷酸链。由于相邻的寡核苷酸链被设计为部分互补重叠，可以使用PCR反应将这些寡核苷酸链组装成750个碱基对长度的building block。将building block导入酵母中，利用酵母的同源重组能力将building block组装成2-4千个碱基对长的mini chunk。再将mini chunk放到同一个酵母中，再次利用酵母的同源重组能力，将天然的DNA逐步替换为合成的DNA。对于每个合成的染色体，具体的方法有所差异与创新，但大体思路相同。
据研究人员报道，用合成的染色体替换16条天然染色体中的6条并不会影响出芽酵母生长，同时经修饰合成的染色体也不会剧烈影响酵母基因组的空间结构。Sc2.0研究团队目前正在努力合成并检测剩下10条染色体的功能。
酵母菌用于面包制作
人造酵母新生命的诞生，标志着合成生物学里程碑式的进展。这个领域的快速突破，将变革生物制造、医药、能源、环境、农业等领域，带来颠覆性的发展。人类已经利用酵母做了几千年的啤酒、面包和馒头，在基因工程技术的帮助下，可以利用改造的酵母做更多的事情，例如生产抗体、靶向药物、酵素（酶）、味精等等。这里不得不提到诺贝尔奖的明星——青蒿素。2013年，杰伊·凯斯林（Jay Keasling）等人在酵母体内加入一系列基因，使其获得青蒿素前体的合成能力，产量高达惊人的25g／L，大大降低了青蒿素的生产成本，提高了生产效率。利用类似的思路，科学家可以将人造酵母打造成一个“细胞工厂”，可以用来生产香水、合成药物、生产清洁的能源物质，甚至带来更多超越想象的新应用，更好的为人类服务。
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