《科學》:中國科學家開啟再造生命新紀元

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《科學》期刊封面

大姑娘出嫁——頭一回!3月10日出版的國際頂級學術期刊《科學》,以封面的形式同時刊發了中國科學家的4篇研究長文!(論文資訊詳見文尾)

由天津大學、清華大學和華大基因分別完成的這4篇長文,介紹了真核生物基因組設計與化學合成方面的系列重大突破:完成了4條真核生物釀酒酵母染色體的從頭設計與化學合成——要知道,釀酒酵母總共有16條染色體,此前國際同行奮鬥多年才發現了一條。

在合成染色體的過程中,他們還突破了生物合成方面的多項關鍵核心技術,比如:突破合成型基因組導致細胞失活的難題,設計構建染色體成環疾病模型,開髮長染色體分級組裝策略,證明人工設計合成的基因組具有可增加、可刪減的靈活性,等等。這些技術將幫助在全世界的生命科學研究和相關實際應用中大顯身手,其價值不可估量。

國內外同行指出,這是繼合成原核生物染色體之後的又一裡程碑式突破,開啟人類“設計生命、再造生命和重塑生命”的新紀元。

參與國際釀酒酵母基因組合成計劃的中國科學家代表,自左至右依次為:李炳誌、戴俊彪、楊煥明、元英進、沈玥。

人工合成酵母染色體,意義何在?

曾參與“人類基因組測序計劃”的華大基因理事長楊煥明院士介紹說,合成生物學(Synthetic Biology)是繼“DNA雙螺旋發現”和“人類基因組測序計劃”之後,以基因組設計合成為標誌的第三次生物技術革命。他指出,生物學界內最重要的分類依據,既不是植物和動物,也不是多細胞和單細胞生物,而是以原核生物和真核生物來區分。“細菌、病毒等原核生物的基因組相對簡單,而動物、植物、真菌等等真核生物的基因(DNA)既豐富又複雜,通常會包含數億至甚至數十億鹼基對資訊。同時,作為遺傳物質的DNA通常被分配到不同的染色體中,而這些染色體又深藏在細胞核的特定區域。所以,合成一個真核生物的基因組是一項非常艱钜的任務。但是,如果生物學真正做到引領技術革命,合成真核生物基因組技術必將發揮非常核心的作用。”

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為完成設計和化學再造完整的釀酒酵母基因組,國際科學界發起了釀酒酵母基因組合成計劃(Sc2.0計劃),這是合成基因組學(Synthetic genomics)研究的標誌性國際合作項目。該項目由美國科學院院士傑夫·伯克發起,有美國、中國、英國、法國、澳大利亞、新加坡等多國研究機構參與並分工協作,試圖重新設計併合成釀酒酵母的全部16條染色體(長約12Mb,1Mb是百萬鹼基對)。

天津大學化工學院教授元英進是最早參與該計劃的中國科學家,此次在《科學》期刊上以通訊作者身份發表了2篇論文。他告訴記者,如同科學實驗中經常使用的果蠅、斑馬魚,釀酒酵母是生物學研究中的“模式真核單細胞生物”。“如果說病毒基因組的合成開啟了基因組化學合成研究,那麼原核生物和真核生物基因組合成研究的不斷突破,則初步實現了化學全合成基因組對單細胞原核生物和真核生物的生命調控。“釀酒酵母是第一個被全基因組測序的真核生物,大尺度的設計和重建酵母基因組是對目前酵母領域知識貯備的真實性、完整性和準確性的一個直接考驗。化學合成酵母,一方面可以幫助人類更深刻地理解一些基礎生物學的問題,另一方面可以通過基因組重排系統,使酵母實現快速進化,得到在醫藥、能源、環境、農業、工業等領域有重要應用潛力的菌株。”

我國科學家在合成酵母中發現了什麼?

2014年,Sc2.0已建立了一個單一的人工酵母染色體。此次國際合作,中外科學家們共完成了5條染色體的化學合成,其中中國科學家完成了4條,佔完成數量的66.7%,把Sc2.0計劃向前推進了一大步。

其中,元英進帶領的天津大學團隊完成了5號、10號(synV、synX)染色體的化學合成,並開發了高效的染色體缺陷靶點定位技術和染色體點突變修復技術;戴俊彪研究員帶領清華大學團隊完成了當前已合成染色體中最長的12號染色體(synXII)的全合成;深圳華大基因研究院團隊聯合英國愛丁堡大學團隊完成了2號染色體(synII)的合成及深度基因型-表型關聯分析。

“人工合成基因組的尺度和複雜度的不斷提升,向科學界對生物體運作方式以及生命本質的認知提出了越來越大的挑戰。在基因組尺度的DNA合成中面臨的一個巨大挑戰,是定位人工基因組中影響細胞長勢的序列,即缺陷(bug)。常規的排除缺陷(debugging)的方法有三種,都有費時耗力、效率不高的缺點。”元英進團隊成員、“10號染色體”文章第一作者、天津大學博士生吳毅介紹說:在合成長達770kb(kb:千鹼基對)的釀酒酵母10號染色體的過程中,我們建立了基因組缺陷靶點快速定位與精確修復方法,解決了全化學合成基因組導致細胞失活的難題。我們所得到的全合成酵母染色體具備完整的生命活性,能夠成功調控酵母的生長,並具備各種環境響應能力。此方法在化學合成基因組研究中具有普適性,並且作為一種新穎的表型和基因組關聯性分析的策略,有望顯著提升我們對基因組結構和功能的認知。”

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“5號染色體”文章第一作者、天津大學博士生謝澤雄說,在全面推進Sc2.0計劃的過程中,我們建立了基於多靶點片段共轉化的基因組精確修復技術和DNA大片段重複修復技術,解決了超長人工DNA片段的精準合成難題。同時,我們首次實現了真核人工基因組化學合成序列與設計序列的完全匹配,系統性支撐與評價了當前真核生物的設計原則。該技術的突破為研究人工設計基因組的重新設計、功能驗證與技術改進奠定了基礎。利用化學合成的酵母5號染色體定製化建立了一組環形染色體模型,通過人工基因組中設計的特異性水印標籤實現對細胞分裂過程中染色體變化的追蹤和分析,為研究當前無法治療的環形染色體疾病、癌症和衰老等發生機理和潛在治療手段提供了了研究模型。此外,我們發展了多級模組化和標準化基因組合成方法,建立了一步法大片段組裝技術和並行式染色體合成策略,實現了由小分子核苷酸到活體真核染色體的定製精準合成。”

清華大學的戴俊彪團隊,則設計合成了12號染色體。在研究中,他們開發了長染色體分級組裝的策略,即:首先通過大片段合成序列,在6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。針對12號染色體上存在的高度重複的核糖體RNA編碼基因簇進行刪除及工程化改造,並利用修改後的重複單元在基因組多個位點重建了核糖體RNA編碼基因簇。“該工作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(核糖體DNA)區域及其他序列均具有驚人的靈活度與可塑性。”戴俊彪表示。

深圳華大基因研究院與英國愛丁堡大學共同完成2號染色體的從頭設計與全合成(長770 Kb),合成酵母菌株展現出與野生型高度相似的生命活性。該論文的第一作者、深圳國家基因庫合成與編輯平臺負責人沈玥介紹說,科研人員使用“貫穿組學(Trans-Omics)”方法,從表型、基因組、轉錄組、蛋白質組和代謝組五個層次系統地進行基因型-表現型的深度關聯分析,證明瞭人工設計合成的釀酒酵母基因組可增加、可刪減的高度靈活性。”

令人欣喜的是,華大基因與愛丁堡大學合成的酵母菌株,不僅與野生型有高度相似的生命活性,而且對環境的適應性大大加強,其進化速度呈幾何級提高。

人工合成4條酵母染色體,價值何在?

“2000年公佈的人類基因組測序,中國隻承擔了百分之一的工作,這次我們完成了釀酒酵母染色體合成的四分之一,可以說是中國在合成生物學領域取得的突破性成果,進一步奠定了我國在這一領域的國際地位。”楊煥明說,“兩相比較,不難看出我們在生命科學研究領域的巨大進步。在釀酒酵母設計與合成研究中,我們已由‘跟跑’轉為‘並跑’,今後‘領跑’也不是不可能。”

Sc2.0計劃國際化的高效運作模式也給國際性大型旗艦項目提供了很好的參考模板,該計劃的實施是基因組編寫計劃的重要基礎。元英進認為,多國組成大型國際聯合團隊使突破重大科學問題和技術難題具有必然性,中國的研究者在本次國際計劃中發揮了舉足輕重的作用。在這個過程中,我們培養了大批具有國際視野的拔尖創新青年人才,中國的基因組設計合成能力也提升到了前所未有的高度。此次國際合作取得的巨大成功將鼓勵更多的中國的學者更積極地參與到大型國際合作項目中去。

據介紹,在歷屆合成基因組年度會議上,天津大學科研團隊均向國際合作聯盟介紹了自己的項目研究進展。2016年7月,第五屆Sc2.0和合成基因組會議在英國愛丁堡舉行,吳毅和謝澤雄介紹了天津大學化學全合成釀酒酵母染色體的最新研究進展。同時,天津大學合成生物學團隊4名成員積極參與2016年5月舉行的基因組合成閉門會議,加入了“世界合成生物學頂級俱樂部”。

據戴俊彪介紹,我國科學家取得的上述成果,不僅對於深化生命認知、推進相關研究意義重大,而且也將在實際應用中大顯身手。此前,基因修飾的酵母已經用來製作疫苗、藥物和特定的化合物,這些新成果的發表意味著化學物質設計定製酵母生命體成為可能,產物範圍也將被拓展。隨著人工合成酵母的推廣應用,必將顯著提高其在工業生產、藥物製造等方面的效率與質量。

“這背後是中國的科技工作者‘咬定青山不放鬆,立根原在破巖中’的不懈探索精神。”天津大學青年教師、國家優青獲得者、此次2篇學術論文的共同第一作者李炳誌表示,“科技工作者要耐得住寂寞,坐得住冷板凳,用‘十年磨一劍’的勁頭來治學。謝澤雄和吳毅多年來沒有發表過任何相關文章,這是他們自本科至今發表的第一篇研究論文。”

據悉,上述團隊正在此前成果的基礎上乘勝前進,有望在不久的將來給人類更多驚喜。

文獻資訊:

論文一:Engineering the ribosomal DNA in a megabase synthetic chromosome

DOI: 10.1126/science.aaf3981

論文二:Deep functional analysis of synII, a 770-kilobase synthetic yeast chromosome

DOI: 10.1126/science.aaf4791

論文三:Bug mapping and fitness testing of chemically synthesized chromosome X

DOI: 10.1126/science.aaf4706

論文四:“Perfect” designer chromosome V and behavior of a ring derivative

DOI: 10.1126/science.aaf4704

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