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科學家首次成功合成酵母染色體

日期:2014-03-31 09:23:11

 

在人們實現大腸桿菌(Escherichia coli)質粒的人工設計與合成的四十多年后,紐約大學的一支團隊實現了真核生物的染色體全合成——他們集結各方的科研力量,耗時七年,終于合成出了人工染色體synIII,并成功在釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)中發揮功能。這一里程碑式的成果于328號發表在《科學》雜志上。

 

這個團隊的領導人是杰夫·伯克(Jef Boeke),他是紐約大學朗格尼醫學中心系統遺傳學研究所的主任。研究所構建的這個染色體是基于釀酒酵母最小的3號染色體設計的,有27萬多個堿基對,其中增刪了許多元件以讓其功能更安全、齊全。不過作為它的模板,3號染色體能控制酵母的有性生殖——這不利于外源性狀的整合。為了讓合成出的染色體不影響酵母的生長繁殖,研究小組在其上的500多個地方進行了修改,并利用大通量的篩選來測試其影響,最終得到效果理想的組合。在此基礎上,他們還刪去了原基因組中許多不具功能的區域,如非編碼區、假基因和轉座子。同時,研究團隊還在許多位點上進行了序列的插入和增改,以讓它更穩定,更適合外源基因的插入。

 

科學家歷時7年成功構造了源于釀酒酵母的被稱作synIII的染色體。

 

研究過程中,科學家們借助電腦軟件設計出染色體的結構,隨后將其分成許多“構建單元”,即700800堿基對左右相互覆蓋的DNA片段,分別合成;然后利用覆蓋區域的特異序列將它們逐個“粘合”。在框架搭好后,研究者們利用了“基因洗牌”的方法,將不同的基因片段隨機相互組合,并培養相應的酵母,通過它們的表現——菌落大小、生長曲線,以及不同條件下的細胞形態——來判斷組合的優劣,越接近野生的越好。

 

早在分子生物學興起的伊始,生物學家們就開始嘗試構建模式生物作為研究工具——它們的遺傳背景清晰,且能夠相對便利地進行基因操作,便于控制實驗變量。而作為原核生物的代表,大腸桿菌更是早早地被人攻破,很快成為最基礎的模式物種之一。真核生物雖然也有人工染色體,但由于其大多是改造的原有染色體,常常含有許多的冗余部分,比如假基因和轉座子。重新合成人工染色體,無異于從頭設計它應有的功能,便于科研人員更便捷地進行功能基因組學的研究。而這項動用了美、中、澳、新加坡和英國科研力量的大手筆,無疑是合成生物學上的里程碑。

 

伯克博士說,這個團隊的下個目標是利用這次的經驗,更快更好地合成酵母基因組中更大的染色體,同時在過程中加深對酵母不同基因功能的理解。

 


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