基因組的設(shè)計與工程化構(gòu)建
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人工設(shè)計與合成真核生物釀酒酵母基因組
釀酒酵母是最簡單的單細胞真核模式生物，對其基因組的重新設(shè)計及人工合成并進行功能研究將極大地推動人類對生命理解及改造能力。“釀酒酵母基因組合成計劃”（Sc2.0?項目）是人類首次嘗試改造和從頭合成真核生物。Sc2.0?項目是由美國科學院院士?Jef Boeke?發(fā)起，由多國研究機構(gòu)參與并分工協(xié)作，對真核模式生物釀酒酵母?16?條染色體進行人工重新設(shè)計和化學再造，是繼原核支原體基因組合成項目之后，合成生物學領(lǐng)域的又一重大標志性國際合作項目。最先完成的是?3?號染色體的全合成與替換，2014?年在?Science?雜志報道。2017?年，Science?雜志以封面、專刊的形式同時發(fā)表了介紹“人工合成酵母基因組計劃”已完成?2?號、5?號、6?號、10?號和12?號這?5?條染色體的從頭設(shè)計與全合成的研究，研究人員把經(jīng)過設(shè)計的人工合成染色體導入釀酒酵母中，并保證帶有人工合成染色體的酵母菌仍能夠正常存活。我國天津大學、清華大學、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證，進一步證明了人工合成生命體系的可行性。對酵母?16?條染色體的人工設(shè)計內(nèi)容，包括終止密碼?TAG?被?TAA?代替，引入了?loxP?重組位點可以允許基因組的快速改變，引入?PCR?檢測標記及限制性內(nèi)切酶識別位點，以及敲除?tRNA?及重復序列等。這些設(shè)計及改變不會對酵母的生長有明顯的影響等。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，誘導?Cre?切割?loxP?位點，任意兩個?loxP?重組位點之間的序列可以發(fā)生倒轉(zhuǎn)、缺失或重復。這個技術(shù)被稱為?SCRaMbLE，可以用于染色體快速重排。通過定向篩選，可以很快找到對微生物細胞工廠性能提升、生命快速進化和人類染色體異常疾病等研究有用的菌株。
2018?年，以中國科學院覃重軍研究組為主的研究團隊通過?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胞（SY14）。在染色體的人工逐一融合過程中，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?個著絲粒、30?個端粒、19?個長的重復序列（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胞功能。