十二號(hào)酵母染色體的人工合成
中國(guó)微生物菌種查詢(xún)網(wǎng) 來(lái)源：生物通 / 2017-03-13 09:19:25
酵母基因組計(jì)劃的多項(xiàng)重大成果：包括中國(guó)在內(nèi)的多個(gè)國(guó)家研究人員報(bào)道了多條釀酒酵母（Saccharomycescerevisiae）的合成染色體，實(shí)現(xiàn)釀酒酵母十二號(hào)染色體的人工合成。
戴俊彪研究組基于原始?jí)A基序列設(shè)計(jì)出新的堿基序列，并通過(guò)自主開(kāi)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(hào)染色體（synXII），這是目前世界上最長(zhǎng)的真核線性染色體、全長(zhǎng)為976,067個(gè)堿基，研究人員也對(duì)十二號(hào)染色體上編碼核糖體RNA的DNA序列（rDNA）開(kāi)展了一系列工程化改造。
能否在實(shí)驗(yàn)室構(gòu)造具有生命特性的細(xì)胞一直是一個(gè)重要挑戰(zhàn)，也是對(duì)生命起源的不懈探索。隨著DNA合成技術(shù)的不斷發(fā)展，很多基因材料都可以被化學(xué)合成出來(lái)。時(shí)至今日，科學(xué)家已經(jīng)完成了
病毒、
噬菌體、
細(xì)菌等物種的基因組設(shè)計(jì)與構(gòu)建，并且這些人工合成的基因組也能夠正常地完成自我復(fù)制和繁衍等生物功能。
戴俊彪課題組主要負(fù)責(zé)攻克16條染色體中長(zhǎng)度最長(zhǎng)、功能最為特殊的十二號(hào)染色體的人工合成。天然的釀酒酵母十二號(hào)染色體長(zhǎng)度約為250萬(wàn)個(gè)堿基對(duì)，包括長(zhǎng)約109萬(wàn)個(gè)堿基對(duì)的染色體以及一個(gè)由約150個(gè)重復(fù)單元組成的rDNA區(qū)域。后者形成了細(xì)胞核內(nèi)一個(gè)特殊結(jié)構(gòu)——核仁。為了獲得具有完整生物學(xué)功能的釀酒酵母染色體，synXII的合成首次采用了分級(jí)組裝的策略：首先，通過(guò)大片段合成序列，在六個(gè)菌株中分別完成了對(duì)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(guò)程中同源重組的特性，將多個(gè)菌株中的合成序列進(jìn)行合并，獲得完整的合成型染色體。
rDNA的內(nèi)部轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)（ITS）在植物和真菌中一直被當(dāng)作DNA分子標(biāo)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(gè)懸而未決的問(wèn)題。在synXII的組裝過(guò)程中，rDNA區(qū)域首先被完整的保留下來(lái)，接著在合成染色體上被完全去除，最后在基因組多個(gè)不同的位置上利用修飾過(guò)的rDNA單元進(jìn)行了再生。研究組利用貝酵母（Saccharomycesbayanus）的ITS序列成功重建并獲得沒(méi)有顯著表型缺陷的酵母。該酵母按照DNA分子標(biāo)簽可以被鑒定為
貝酵母，但其基因組中所有其他序列都來(lái)源于釀酒酵母。
synXII的合成不僅表明我們能夠設(shè)計(jì)并構(gòu)建獲得含有百萬(wàn)級(jí)堿基的合成染色體，實(shí)現(xiàn)對(duì)高度重復(fù)的rDNA基因簇進(jìn)行編輯與操控，奠定了未來(lái)對(duì)其他超大、結(jié)構(gòu)超復(fù)雜的基因組進(jìn)行設(shè)計(jì)與編寫(xiě)的基礎(chǔ)，同時(shí)也證明了酵母基因組中rDNA區(qū)域及其他序列均具有驚人的靈活度與可塑性。
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