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    中国科学家4篇论文齐上《科学》封面

    2017年3月10日 来源: Science

    转载自:募格学术 & 知社学术圈 & 人民日报

    3月10日,《Science》酵母合成生物特刊推出7篇研究长文,其中4篇来自我国科学家,包括天津大学元英进课题组两篇,深圳华大基因杨焕明院士和爱丁堡大学Yizhi Cai领导的合作小组有一篇,清华大学生科院戴俊彪课题组一篇。研究介绍了生物合成研究的最新突破:完成了4条真核生物酿酒酵母染色体的从头设计与化学合成。酿酒酵母总共有16条染色体,此前国际同行奋斗多年才发现了1条。国内外同行指出,这是继合成原核生物染色体之后的又一里程碑式突破,有望开启人类“设计生命、再造生命和重塑生命”的新纪元。

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    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。赵永新摄

    由天津大学、清华大学和华大基因分别完成的这4篇长文,介绍了生物合成研究的最新突破:完成了4条真核生物酿酒酵母染色体的从头设计与化学合成——要知道,酿酒酵母总共有16条染色体,此前国际同行奋斗多年才发现了1条。

    在合成染色体的过程中,他们还突破了生物合成方面的多项关键核心技术,比如:突破合成型基因组导致细胞失活的难题,设计构建染色体成环疾病模型,开发长染色体分级组装策略,证明人工设计合成的基因组具有可增加、可删减的灵活性,等等。这些技术将帮助在全世界的生命科学研究和相关实际应用中大显身手,其价值不可估量。

    国内外同行指出,这是继合成原核生物染色体之后的又一里程碑式突破,有望开启人类“设计生命、再造生命和重塑生命”的新纪元。

    人工合成酵母染色体,意义何在?

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    3月10日出版的《Science》期刊封面(Vol 355, Issue 6329, 10 March 2017)

    曾参与人类基因组测序计划的华大基因理事长杨焕明院士介绍说,合成生物学(Synthetic Biology)是继“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第三次生物技术革命。他指出,生物学界内最重要的分类依据,既不是植物和动物,也不是多细胞和单细胞生物,而是以原核生物和真核生物来区分。“细菌、病毒等原核生物的基因组相对简单,而动物、植物、真菌等等真核生物的基因(DNA)既丰富又复杂,通常会包含数亿至甚至数十亿碱基对信息。同时,作为遗传物质的DNA通常被分配到不同的染色体中,而这些染色体又深藏在细胞核的特定区域。所以,合成一个真核生物的基因组是一项非常艰巨的任务。但是,如果生物学真正做到引领技术革命,合成真核生物基因组技术必将发挥非常核心的作用。”

    为完成设计和化学再造完整的酿酒酵母基因组,国际科学界发起了酿酒酵母基因组合成计划(Sc2.0计划),这是合成基因组学(Synthetic genomics)研究的标志性国际合作项目。该项目由美国科学院院士杰夫·伯克发起,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,试图重新设计并合成酿酒酵母的全部16条染色体(长约12Mb,1Mb是百万碱基对)。

    天津大学化工学院教授元英进是最早参与该计划的中国科学家,此次在《科学》期刊上以通讯作者身份发表了2篇论文。他告诉记者,如同科学实验中经常使用的果蝇、斑马鱼,酿酒酵母是生物学研究中的“模式真核单细胞生物”。“如果说病毒基因组的合成开启了基因组化学合成研究,那么原核生物和真核生物基因组合成研究的不断突破,则初步实现了化学全合成基因组对单细胞原核生物和真核生物的生命调控。“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,一方面可以帮助人类更深刻地理解一些基础生物学的问题,另一方面可以通过基因组重排系统,使酵母实现快速进化,得到在医药、能源、环境、农业、工业等领域有重要应用潜力的菌株。”

    我国科学家在合成酵母中发现了什么?

    2014年,Sc2.0已创建了一个单一的人工酵母染色体。此次国际合作,中外科学家们共完成了5条染色体的化学合成,其中中国科学家完成了4条,占完成数量的66.7%,把Sc2.0计划向前推进了一大步。

    其中,元英进带领的天津大学团队完成了5号、10号(synV、synX)染色体的化学合成,并开发了高效的染色体缺陷靶点定位技术和染色体点突变修复技术;戴俊彪研究员带领清华大学团队完成了当前已合成染色体中最长的12号染色体(synXII)的全合成;深圳华大基因研究院团队联合英国爱丁堡大学团队完成了2号染色体(synII)的合成及深度基因型-表型关联分析。

    “人工合成基因组的尺度和复杂度的不断提升,向科学界对生物体运作方式以及生命本质的认知提出了越来越大的挑战。在基因组尺度的DNA合成中面临的一个巨大挑战,是定位人工基因组中影响细胞长势的序列,即缺陷(bug)。常规的排除缺陷(debugging)的方法有三种,都有费时耗力、效率不高的缺点。”元英进团队成员、“10号染色体”文章第一作者、天津大学博士生吴毅介绍说:在合成长达770kb(kb:千碱基对)的酿酒酵母10号染色体的过程中,我们创建了基因组缺陷靶点快速定位与精确修复方法,解决了全化学合成基因组导致细胞失活的难题。我们所得到的全合成酵母染色体具备完整的生命活性,能够成功调控酵母的生长,并具备各种环境响应能力。此方法在化学合成基因组研究中具有普适性,并且作为一种新颖的表型和基因组关联性分析的策略,有望显著提升我们对基因组结构和功能的认知。”

    “5号染色体”文章第一作者、天津大学博士生谢泽雄说,在全面推进Sc2.0计划的过程中,我们建立了基于多靶点片段共转化的基因组精确修复技术和DNA大片段重复修复技术,解决了超长人工DNA片段的精准合成难题。同时,我们首次实现了真核人工基因组化学合成序列与设计序列的完全匹配,系统性支撑与评价了当前真核生物的设计原则。该技术的突破为研究人工设计基因组的重新设计、功能验证与技术改进奠定了基础。利用化学合成的酵母5号染色体定制化建立了一组环形染色体模型,通过人工基因组中设计的特异性水印标签实现对细胞分裂过程中染色体变化的追踪和分析,为研究当前无法治疗的环形染色体疾病、癌症和衰老等发生机理和潜在治疗手段提供了了研究模型。此外,我们发展了多级模块化和标准化基因组合成方法,创建了一步法大片段组装技术和并行式染色体合成策略,实现了由小分子核苷酸到活体真核染色体的定制精准合成。”

    清华大学的戴俊彪团队,则设计合成了12号染色体。在研究中,他们开发了长染色体分级组装的策略,即:首先通过大片段合成序列,在6个菌株中分别完成了对染色体不同区域内源DNA的逐步替换;然后利用酵母减数分裂过程中同源重组的特性,将多个菌株中的合成序列进行合并,获得完整的合成型染色体。针对12号染色体上存在的高度重复的核糖体RNA编码基因簇进行删除及工程化改造,并利用修改后的重复单元在基因组多个位点重建了核糖体RNA编码基因簇。“该工作奠定了未来对其他超大、结构超复杂的基因组进行设计与编写的基础,同时也证明了酵母基因组中rDNA(核糖体DNA)区域及其他序列均具有惊人的灵活度与可塑性。”戴俊彪表示。

    深圳华大基因研究院与英国爱丁堡大学共同完成2号染色体的从头设计与全合成(长770 Kb),合成酵母菌株展现出与野生型高度相似的生命活性。该论文的第一作者、深圳国家基因库合成与编辑平台负责人沈玥介绍说,科研人员使用“贯穿组学(Trans-Omics)”方法,从表型、基因组、转录组、蛋白质组和代谢组五个层次系统地进行基因型-表现型的深度关联分析,证明了人工设计合成的酿酒酵母基因组可增加、可删减的高度灵活性。”

    令人欣喜的是,华大基因与爱丁堡大学合成的酵母菌株,不仅与野生型有高度相似的生命活性,而且对环境的适应性大大加强,其进化速度呈几何级提高。

    人工合成4条酵母染色体,价值几何?

    “2000年公布的人类基因组测序,中国只承担了百分之一的工作,这次我们完成了酿酒酵母染色体合成的四分之一,可以说是中国在合成生物学领域取得的突破性成果,进一步奠定了我国在这一领域的国际地位。”杨焕明说,“两相比较,不难看出我们在生命科学研究领域的巨大进步。在酿酒酵母设计与合成研究中,我们已由‘跟跑’转为‘并跑’,今后‘领跑’也不是不可能。”

    Sc2.0计划国际化的高效运作模式也给国际性大型旗舰项目提供了很好的参考模板,该计划的实施是基因组编写计划的重要基础。元英进认为,多国组成大型国际联合团队使突破重大科学问题和技术难题具有必然性,中国的研究者在本次国际计划中发挥了举足轻重的作用。在这个过程中,我们培养了大批具有国际视野的拔尖创新青年人才,中国的基因组设计合成能力也提升到了前所未有的高度。此次国际合作取得的巨大成功将鼓励更多的中国的学者更积极地参与到大型国际合作项目中去。

    据介绍,在历届合成基因组年度会议上,天津大学科研团队均向国际合作联盟介绍了自己的项目研究进展。2016年7月,第五届Sc2.0和合成基因组会议在英国爱丁堡举行,吴毅和谢泽雄介绍了天津大学化学全合成酿酒酵母染色体的最新研究进展。同时,天津大学合成生物学团队4名成员积极参与2016年5月举行的基因组合成闭门会议,加入了“世界合成生物学顶级俱乐部”。

    据戴俊彪介绍,我国科学家取得的上述成果,不仅对于深化生命认知、推进相关研究意义重大,而且也将在实际应用中大显身手。此前,基因修饰的酵母已经用来制作疫苗、药物和特定的化合物,这些新成果的发表意味着化学物质设计定制酵母生命体成为可能,产物范围也将被拓展。随着人工合成酵母的推广应用,必将显著提高其在工业生产、药物制造等方面的效率与质量。

    “这背后是中国的科技工作者‘咬定青山不放松,立根原在破岩中’的不懈探索精神。”天津大学青年教师、国家优青获得者、此次2篇学术论文的共同第一作者李炳志表示,“科技工作者要耐得住寂寞,坐得住冷板凳,用‘十年磨一剑’的劲头来治学。谢泽雄和吴毅多年来没有发表过任何相关文章,这是他们自本科至今发表的第一篇研究论文。”

    据悉,上述团队正在此前成果的基础上乘胜前进,有望在不久的将来给人类更多惊喜。

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