清華生命學院戴俊彪研究組發(fā)文報道釀酒酵母十二號染色體的設(shè)計合成

戴俊彪在實驗室。 沈伯韓 攝

清華新聞網(wǎng)3月10日電 （通訊員 李春園 李冰淞 李天一 秦琴 張維民） 3月10日，清華大學生命科學學院戴俊彪研究組在《科學》（Science）期刊發(fā)表題為《在百萬級堿基量級合成染色體上編輯核糖體DNA》（"Engineering the ribosomal DNA in a megabase synthetic chromosome"）長文（Research Article），成功實現(xiàn)了釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）十二號染色體的人工設(shè)計與合成。人工釀酒酵母的十二號染色體是目前世界上發(fā)現(xiàn)的最長真核線性染色體，全長為976067個堿基。

戴俊彪研究組基于原始堿基序列設(shè)計出新的堿基序列，并通過自主開發(fā)的分層組裝和后續(xù)改造方案最終獲得可在釀酒酵母體內(nèi)正常發(fā)揮功能的合成十二號染色體（synXII），并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。

戴俊彪研究組對釀酒酵染色體進行合成改造。 沈伯韓 攝

本期《科學》雜志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(jié)構(gòu)等系列研究工作。

能否在實驗室構(gòu)造具有生命特性的細胞一直是生命研究領(lǐng)域一個重要挑戰(zhàn)，也體現(xiàn)了人類對生命起源的不懈探索。隨著DNA合成技術(shù)的不斷發(fā)展，很多基因材料都可被化學合成出來。時至今日，科學家已完成了病毒、噬菌體、細菌等物種的基因組設(shè)計與構(gòu)建，相關(guān)人工合成的基因組能正常地完成自我復(fù)制和繁衍等生物功能。

最近，來自美、中、英、澳大利亞和新加坡的科學家形成國際聯(lián)盟，共同開展第一個真核生物——釀酒酵母基因組的重新設(shè)計與建造，該項基因組工程被簡稱為Sc2.0。該工程強調(diào)對基因組的整體設(shè)計，包括消除基因組中的轉(zhuǎn)座子、重復(fù)序列等可能的冗余元件，同時加入一些特定的元件，如可以使基因組發(fā)生大規(guī)模變化的loxP序列等。Sc2.0計劃基于“構(gòu)建以助于理解”的合成生物學理念，通過對釀酒酵母基因組的設(shè)計、合成以及改造，以期能從全基因組水平更透徹地理解遺傳物質(zhì)發(fā)揮功能的生物學機制、遺傳信息的傳遞與調(diào)控，從而幫助人類有目的地設(shè)計和改造生命體，實現(xiàn)預(yù)設(shè)功能，有效解決目前面臨的環(huán)境污染、糧食短缺等重大挑戰(zhàn)。

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。天然釀酒酵母十二號染色體長度約為250萬個堿基對，包括長約109萬個堿基對的染色體以及一個由約150個重復(fù)單元組成的編碼核糖體RNA區(qū)域。后者形成了細胞核內(nèi)一個特殊結(jié)構(gòu)——核仁。為了獲得具有完整生物學功能的釀酒酵母染色體，十二號染色體的合成首次采用了分級組裝的策略（見圖1）。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(qū)域內(nèi)源DNA的逐步替換。然后，利用酵母減數(shù)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并，最終獲得完整的合成型染色體。

圖1：分級組裝和后續(xù)改造十二號染色體的原理圖。

編碼核糖體RNA的內(nèi)部轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)（ITS）在植物和真菌中一直被當作DNA分子標簽用于種屬的鑒定。該序列能否被其他生物的相應(yīng)序列替代而混淆物種鑒定是一個懸而未決的問題。在十二號染色體的組裝過程中，編碼核糖體RNA區(qū)域首先被完整地保留下來，接著在合成染色體上完全去除，最后在基因組多個不同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）的內(nèi)部轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)序列成功重建并獲得沒有顯著表型缺陷的酵母。該酵母按照DNA分子標簽可以被鑒定為貝酵母，但其基因組中所有其他序列都來源于釀酒酵母。

十二號染色體的合成不僅表明我們能設(shè)計并構(gòu)建獲得含有百萬級堿基的合成染色體，實現(xiàn)對高度重復(fù)的編碼核糖體RNA基因簇進行編輯與操控，奠定了未來對其他超大、結(jié)構(gòu)超復(fù)雜的基因組進行設(shè)計與編寫的基礎(chǔ)，同時也證明了酵母基因組中編碼核糖體RNA區(qū)域及其他序列均具有驚人的靈活度與可塑性。

研究組合成改造人工釀酒酵母染色體。 沈伯韓 攝

3月9日，戴俊彪研究員和Sc2.0計劃中國合作組華大基因的楊煥明院士、天津大學的元英進副校長等共同在清華大學召開媒體見面會，與人民日報社、新華通訊社、科技日報等多家媒體進行座談。戴俊彪詳細介紹了Sc2.0計劃的研究背景、概況和主要成果，并闡述了課題組后續(xù)在合成基因組方向的工作和初步成果。楊煥明、元英進對十二號染色體的合成表示祝賀，對染色體人工合成的工作予以高度評價，并對合成生物學的未來發(fā)展進行了展望。

3月9日，參與國際釀酒酵母基因組合成計劃的中國科學家代表在清華大學媒體見面會后合影，自左至右依次為：李炳志、戴俊彪、楊煥明、元英進、沈玥。 沈伯韓 攝

清華大學生命學院生命科學聯(lián)合中心博士研究生項目(CLS)五年級博士生張維民，及生命學院聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生項目(PTN)六年級博士生趙廣厚、五年級博士生羅周卿為本文共同第一作者。清華大學生命科學學院戴俊彪研究員為本文通訊作者。清華大學陳國強、吳慶余，約翰霍普金斯大學喬爾巴德（Joel S. Bader），愛丁堡大學蔡毅之，紐約大學杰夫布卡（Jef D. Boeke）及無錫青蘭生物科技有限公司林繼偉為本研究提供了相關(guān)幫助和支持。清華大學方劍火提供了基因組和RNA的測序服務(wù)。本工作獲得了國家自然科學基金、中國科技部、教育部博士點專項、中國高等教育博士項目研究基金會和清華大學提供的啟動基金等多項經(jīng)費支持。

論文鏈接：

http://science.sciencemag.org/content/sci/355/6329/eaaf3981.full.pdf

供稿：生命學院 編輯：悸寔 華山 徐靜