清華大學Science釋出重大成果:十二號酵母染色體的人工合成

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生物通報道:最新一期(3月9日)的Science雜誌公佈了酵母基因組計劃的多項重大成果:包括中國在內的多個國家研究人員報道了多條釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)的合成染色體,其中清華大學生科院戴俊彪研究組發表題為“Engineering the ribosomal DNA in a megabase synthetic chromosome”的文章,實現釀酒酵母十二號染色體的人工合成。

文章的通訊作者為清華大學生命科學學院的戴俊彪研究員,第一作者為清華大學生命學院CLS五年級博士生張維民、生命學院PTN六年級博士生趙廣厚和生命學院PTN五年級博士生羅周卿。

戴俊彪研究組基於原始鹼基序列設計出新的鹼基序列,並通過自主開發的分層組裝和後續改造方案最終獲得可在釀酒酵母體內正常發揮功能的合成十二號染色體(synXII),這是目前世界上最長的真核線性染色體、全長為976,067個鹼基,研究人員也對十二號染色體上編碼核糖體RNA的DNA序列(rDNA)開展了一系列工程化改造。本期《科學》雜誌以釀酒酵母合成染色體作為主題和封面,同期刊出了戴俊彪研究組合作參與,由美國紐約大學主要完成的六號染色體、華大基因和英國愛丁堡大學共同完成的二號染色體、天津大學主要完成的五號染色體以及法國巴斯德研究所主要完成的合成染色體3D結構等系列研究工作。

能否在實驗室構造具有生命特性的細胞一直是一個重要挑戰,也是對生命起源的不懈探索。隨著DNA合成技術的不斷發展,很多基因材料都可以被化學合成出來。時至今日,科學家已經完成了病毒、噬菌體、細菌等物種的基因組設計與構建,並且這些人工合成的基因組也能夠正常地完成自我複製和繁衍等生物功能。

最近,來自美、中、英、澳大利亞和新加坡的科學家形成了一個國際聯盟,共同開展第一個真核生物——釀酒酵母基因組的重新設計與建造,該項基因組工程被簡稱為Sc2.0。該工程強調對基因組的整體設計,包括消除基因組中的轉座子、重複序列等可能的冗餘元件,同時加入一些特定的元件,如可以使基因組發生大規模變化的loxP序列等。Sc2.0計劃基於“構建以助於理解”的合成生物學理念,通過對釀酒酵母基因組的設計、合成以及改造,以期能夠從全基因組水平更透徹的理解遺傳物質發揮功能的生物學機製、遺傳資訊的傳遞與調控,從而幫助人類有目的地設計和改造生命體,實現預設功能,有效解決人類目前面臨的環境汙染、糧食短缺等重大挑戰。

在Sc2.0計劃中,戴俊彪課題組主要負責攻克16條染色體中長度最長、功能最為特殊的十二號染色體的人工合成。天然的釀酒酵母十二號染色體長度約為250萬個鹼基對,包括長約109萬個鹼基對的染色體以及一個由約150個重複單元組成的rDNA區域。後者形成了細胞核內一個特殊結構——核仁。為了獲得具有完整生物學功能的釀酒酵母染色體,synXII的合成首次採用了分級組裝的策略:首先,通過大片段合成序列,在六個菌株中分別完成了對染色體不同區域內源DNA的逐步替換;然後,利用酵母減數分裂過程中同源重組的特性,將多個菌株中的合成序列進行合併,獲得完整的合成型染色體。

rDNA的內部轉錄間隔區(ITS)在植物和真菌中一直被當作DNA分子標籤用於種屬的鑑定。該序列能否被其他生物的相應序列替代而混淆物種鑑定是一個懸而未決的問題。在synXII的組裝過程中,rDNA區域首先被完整的保留下來,接著在合成染色體上被完全去除,最後在基因組多個不同的位置上利用修飾過的rDNA單元進行了再生。研究組利用貝酵母(Saccharomyces bayanus)的ITS序列成功重建並獲得沒有顯著表型缺陷的酵母。該酵母按照DNA分子標籤可以被鑑定為貝酵母,但其基因組中所有其他序列都來源於釀酒酵母。

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synXII的合成不僅表明我們能夠設計並構建獲得含有百萬級鹼基的合成染色體,實現對高度重複的rDNA基因簇進行編輯與操控,奠定了未來對其他超大、結構超複雜的基因組進行設計與編寫的基礎,同時也證明瞭酵母基因組中rDNA區域及其他序列均具有驚人的靈活度與可塑性。

原文檢索:

Engineering the ribosomal DNA in a megabase synthetic chromosome

Science 10 Mar 2017:

Vol. 355, Issue 6329,

DOI: 10.1126/science.aaf3981

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