天津大学同期刊发两篇Science文章：合成生物学重大成果

时间：2017-03-13

生物通报道：由天津大学系统生物工程教育部重点实验室元英进领导的研究组3月10日在Science杂志上刊发两篇文章，一篇文章报道了全化学合成重新设计的真核生物酿酒酵母十号染色体，长达707 Kb，创建了一种高效定位生长缺陷靶点的方法（pooled PCRTag mapping[PoPM]），解决了合成型基因组导致细胞失活的难题，并且提供了一种表型和基因型关联分析的新策略，有助于延伸对基因组和细胞功能的认知。另外一篇文章首次报道了精确匹配设计序列的真核生物染色体的化学合成，验证和评判了当前真核生物人工染色体的设计原则。同时，开发了定制化人工构建酿酒酵母环形染色体的方法，为研究染色体重排、癌症、衰老、人类染色体异常疾病等提供了新的研究思路和研究模型。

两篇文章的通讯作者均为元英进教授，第一作者分别为天津大学博士生吴毅和 “国家优青获得者”李炳志，以及博士生谢泽雄和李炳志。

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。酿酒酵母基因组合成计划（Sc2.0计划）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，致力于设计和化学再造完整的酿酒酵母基因组。元英进是该计划的国际化推动者及中国最早参与者。

生物通在2016年联合华南理工大学以及奥地利的科学安全性研究部门Biofaction一起获得了广东省科委基金的资助，将对合成生物学做更多的科普方面的宣传。更大的精彩文章敬请关注。

生物学领域把研究对象划分为原核生物和真核生物。原核生物如细菌、支原体的基因比较简单，用现成的化学物质复制出原核生物的DNA是不困难的。而动物、植物、真菌等等真核生物的DNA既丰富又复杂，通常会包含数亿，甚至数十亿遗传碱基信息，同时遗传物质DNA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。合成真核生物基因组技术一旦获得突破，将引发生物学领域的技术革命，并会在医药、能源、环境、农业、工业等领域产生重要影响。

酿酒酵母是生物学研究中的模式真核单细胞生物。元英进在接受采访时表示：“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(SCRaMbLE)，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。”

Sc2.0计划旨在重新设计并合成酿酒酵母的全部16条染色体（长约12Mb，Mb：百万碱基对）。2014年Sc2.0已创建了一个单一的人工酵母染色体，这次科学家们共完成了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，意味着已经成功合成了酵母基因组的约三分之一。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。

人工基因组的设计遵循三点原则：保持人工细胞生长状态接近野生型、增加基因组稳定性和增强遗传操作灵活性。

问题1：在基因组尺度的DNA合成中面临的一个巨大的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）的方法包括：1）将合成型DNA分段检测，逐步锁定靶点，缺点是耗时耗力，对于多靶点引起生长缺陷的问题难以定位；2）利用减数分裂染色体链交换得到合成型DNA和野生型DNA的拼接结构，再逐个检测孢子，收集整理大量孢子的表型和基因型数据，进一步分析锁定缺陷靶点，缺点依旧是需要大量的时间和人力。化学合成的基因组能否具有正常的生物学功能，是否影响细胞对不同环境的适应性，是哪些基因哪段序列影响细胞生长？急需一种高效的定位细胞生长缺陷靶点的方法来加快合成基因组学的发展。此外，通过生长缺陷靶点的定位，可以修正和补充当前的认知，指导未来的基因组设计。

问题2：在人工设计合成基因组的研究中，实际序列与设计序列的精确匹配对于系统性评价当前真核生物的设计原则至关重要。全基因组范围内发生非常小的核苷酸变化，都可能对生物表型产生重大影响乃至致死。因此，超长人工DNA片段的精准合成难题亟待解决。基因操作导致的核苷酸变化在全基因组范围随机分布，种类繁杂，同时真核生物基因组复制过程中会产生核苷酸变化，为基因组的精确、快速修复带来巨大挑战。

问题3：真核生物基因组呈线性，快速、定制化的染色体环化技术相对缺乏，对环形染色体疾病的研究与治疗造成障碍。

元英进团队开创性地利用加注的标签系统和混菌策略，创建了一种高效定位缺陷靶点的方法，即“混菌PCR标签定位法”（pooled PCRTag mapping[PoPM])。通过缺陷靶点的定位与修复，挖掘出了未知的酵母生物学新知识，如：YJR120W基因的3‘端loxPsym位点的引入影响附近基因ATP2的表达；必需基因FIP1重编码会引入新的转录因子Rap1p的潜在结合位点。

另外，研究团队利用酵母减数分裂同源重组机制修复了合成型染色体上的大片段重复和重排的变异结构。PoPM可适用于任何有水印标识的合成型染色体的缺陷定位，是排除化学基因组缺陷的有力工具，也是定位表型和基因型关系的新策略，有望显著提升人类对基因组结构和功能的理解。

创建了多级模块化和标准化染色体合成方法，建立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。建立了基于多靶点片段共转化的基因组精确修复技术，实现了真核染色体化学合成序列与设计序列的完美匹配，该技术的突破为基因组的重新设计、功能验证与技术改进奠定了基础。设计构建了一组合成酵母V号染色体环形模型，并通过人工基因组中设计的特异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的发生机理和潜在治疗手段建立了研究模型。

(生物通：万纹)

原文检索：

G. Mercy et al., “3D organization of synthetic and scrambled chromosomes,” Science, doi:10.1126/science.aaf4597, 2017.

L.A. Mitchell et al., “Synthesis, debugging, and effects of synthetic chromosome consolidation: synVI and beyond,” Science, 10.1126/science.aaf4831, 2017.

S.M. Richardson et al., “Design of a synthetic yeast genome,” Science, doi:10.1126/science.aaf4557, 2017.

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Y. Wu et al., “Bug mapping and fitness testing of chemically synthesized chromosome X,” Science, doi:10.1126/science.aaf4706, 2017.

Z.X. Xie et al., “‘Perfect’ designer chromosome V and behavior of a ring derivative,” Science, doi:10.1126/science.aaf4704, 2017.

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