中科院合紐約大學兩篇Nature：新世界單染色體酵母

　　生物學教科書中將自然界存在的生命體分為具有被核膜包裹染色體細胞核的真核生物和染色體裸露無核膜包裹的原核生物。染色體攜帶了生命體生長與繁殖的遺傳信息，真核生物通常含有線型結構的多條染色體，而原核生物通常含有環型結構的一條染色體。

　　在最新研究中，科學家們成功融合了真核生物釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）的16條染色體，創造出一條線型染色體即可裝載整個基因組的新菌株。

　　這一合成生物學突破性成果公布在8月1日的Nature雜志上，由中科院分子植物科學卓越創新中心/植物生理生態研究所合成生物學重點實驗室完成。同期紐約大學Langone醫學中心的研究人員也使用類似技術融合了酵母染色體，但他們無法最終獲得單一染色體的功能性酵母菌株，只能將染色體數量減少到兩個。

　　兩項研究結果均表明，含有融合染色體的酵母細胞未出現生長主要缺陷，僅顯示了基因表達的微小改變，這表明生物體可能比生物學家預期的更能耐受染色體數目和結構的變化。

　　來自法國癌癥和衰老研究所的遺傳學家Gianni Liti（未參與該項研究）點評道，“這兩項研究可能是迄今為止設計獲得的最引人注目的基因組重組研究，令人驚訝的是，這些細胞實際可以存活。”

　　中科院研究成果

　　在“Creating a functional single chromosome yeast”這篇文章中，上海生命科學研究院植物生理生態研究所的覃重軍，薛小莉幾位研究員在國際上首次人工創建了單條染色體的真核細胞，完成了將單細胞真核生物釀酒酵母天然的十六條染色體人工創建為具有完整功能的單條染色體。這表明，天然復雜的生命體系可以通過人工干預變簡約，自然生命的界限可以被人為打破，甚至可以人工創造全新的自然界不存在的生命。

左起分別是：覃重軍、魯寧、邵洋洋、薛小莉

　　真核生物的染色體數量變化很大。人類有46條，而紅色山絨鼠（Tympanoctomys barrerae）有102條，雄性Jack jumper ant（Myrmecia pilosula）只有一條。

　　“在我看來，染色體數目在真核生物中是隨機的，”覃重軍說，“所以我想如果我們能創造一條染色體，那么我們就可以回答很多問題了。例如：有機體對染色體總數變異的耐受程度如何？”

　　為了創建一個只具有單一染色體的活酵母細胞，覃重軍等人利用基因編輯工具CRISPR-Cas9切割端粒結構（每條染色體末端的重復核苷酸序列區域），將兩條染色體組合在一起。同時他們也從每對染色體的一條染色體上去除了一個著絲粒，確保融合產物只有一個，因為具有多個著絲粒的染色體是不穩定的。

　　博士研究生邵洋洋從2013年開始嘗試并發展高效的染色體操作方法，歷經4年時間，通過15輪染色體融合，最終成功創建了只有一條線型染色體的釀酒酵母菌株SY14。

　　之后，這一研究團隊與中科院合成生物學重點實驗室研究員趙國屏研究組、中科院生物化學與細胞生物學研究所研究員周金秋研究組、武漢菲沙基因信息有限公司及軍事醫學科學院研究員趙志虎等合作，深入鑒定SY14的代謝、生理和繁殖功能及其染色體的三維結構（PacBio Sequel平臺）。

　　研究發現，雖然人工創建的單條線型染色體的三維結構發生了巨大變化，但SY14酵母具有正常的細胞功能，這顛覆了染色體三維結構決定基因時空表達的傳統觀念，揭示了染色體三維結構與實現細胞生命功能的全新關系。

　　紐約大學研究成果

　　在全球的另一邊，紐約大學Langone醫學中心的遺傳學家Jef Boeke和他的同事也在使用類似技術融合酵母染色體。Boeke表示，最初他的團隊正在開展一項名為Synthetic Yeast 2.0的項目（旨在從頭開始創建酵母染色體），當時就想要進行這樣一項實驗。

　　研究人員通過融合釀酒酵母的染色體成功地產生了新的，有活力的酵母菌株，但是Boeke團隊無法獲得具有單一染色體的功能性酵母菌株——他們只能將染色體數量減少到兩個。

　　Boeke解釋說，造成這種差異的原因可能有很多，不過最合理的解釋是與大小尺寸有關。他指出，覃重軍研究組從酵母染色體中刪除了比他的研究組更多的重復序列，因此“他們的酵母基因組大小可能低于我們獲得酵母的閾值。”

　　打開新世界

　　對于這兩項研究成果，不少科學家們都表示驚訝，之前他們認為減少染色體數量應該對生物體產生重要的影響，但是結果顯示并非如此，盡管基因組的三維結構發生了重大變化，但基因表達只發生了微小變化。

　　之前的許多研究表明，基因組在細胞中的組織方式有助于基因調控，而這改變了基因組三維組織的作用。

　　華盛頓大學計算生物學家William Noble指出，雖然合成染色體的整體結構發生了改變，但基因組中特定區域之間的局部相互作用仍然與原始菌株相似。 “總體來看，看起來基因表達和3-D染色質之間并不像有很強的聯系，但在局部也許存在，”他補充道。

　　兩項研究都報道，工程酵母細胞能夠與其它具有相同數量染色體的細胞一起繁殖，但Boeke的研究小組發現，當16條染色體完整的野生型酵母與染色體較少的酵母交配時，孢子產量的效率隨著合成菌株中染色體數量的下降而下降，野生型酵母和合成的8號染色體酵母幾乎不能產生孢子。

　　雖然這種作用背后的機制尚不清楚，但Boeke認為通過改變其染色體數目來繁殖分離酵母可能對合成酵母的未來應用有用，例如生物傳感器。這種方法可以提供一種生物封存(biocontainment)，限制工程酵母在需要的特定環境之外發生傳播。

　　酵母中的這些發現是否會能擴展到人類等高等真核生物尚未確定。薛小莉指出，有證據表明染色體融合可以在其他具有更復雜基因組的生物體中自然地發生，例如，人類的2號染色體似乎來自于兩個祖先猿染色體的融合。

　　目前，研究人員計劃創建更多新的酵母菌株，用以解答有關染色體生物學的問題，例如結構如何影響基因表達。Boeke說，這些論文“又開啟了更多問題”。