全球首例！上海科學家創建無內含子真核細胞

“構建‘最小基因組’真核細胞是合成生物學的重大前沿挑戰。”周金秋坦言，他的研究團隊以單條染色體釀酒酵母為基礎，向這一領域發起了沖擊，“我們已經構建了基因組沒有轉座子的酵母細胞，但在嘗試構建沒有線粒體基因組的酵母細胞時沒有成功”。6年前，他帶領團隊將目光看向了內含子。

如果把細胞中的遺傳信息比作一本書，那么真核生物這本書里，夾雜著大量看似“多余”的段落。每當細胞讀取信息時，必須把這些段落準確刪除，才能拼出真正有用的“閱讀內容”。這些被刪除的片段叫做內含子，而負責刪除工作的分子機器叫做剪接體。

長期以來，科學家一直困惑：內含子和剪接體究竟是不是真核細胞賴以生存的必需元件？如果把細胞內所有內含子都刪除，細胞還能活嗎？而這也是周金秋想要回答的科學問題。

在單條染色體的酵母中，一共有300個內含子，如果一個一個將其敲除，按照必須的科研流程，需要12年時間。“如果我還是二三十歲剛剛開始科研，再加上如果有穩定的科研經費，我愿意慢慢做。”周金秋笑著說，“但現在要是做那么長時間，到退休恐怕也完不成。還有，一位博士生培養也就6-7年，不可能陪我做那么長時間。”

然而，對于手握“王牌”、看準方向的科學家來說，終是難以抑制那顆蠢蠢欲動的探究之心。既然傳統的道路走不通，那就換條新路。周金秋帶領團隊不斷摸索，最終抓住真核細胞減數分裂的特性，巧妙地設計了一套“分頭施工、重組拼裝”的策略——在不同交配型的單倍體細胞中分別刪除不同內含子，再通過二倍體細胞中的染色體重組和減數分裂，將所有刪除結果整合到同一個細胞中。很快，研究組初戰告捷，驗證了該技術路線可以大大縮短實驗周期。

“我們是在2019年7月下定了背水一戰的決心。”周金秋說，當時盡管看到了新技術路線的可行性，但對于究竟要做多久心里還是沒有底。為此，他專門招收了兩位課題助理滿鑫和張文婷，后來看到內含子實現了大量敲除，課題有了結束的希望，兩位年輕人也通過統一博士招生考試，錄取為博士研究生。

曙光在2020年7月初現。當時，研究團隊將必需基因中的59個內含子進行了刪除。到了2024年2月，研究團隊敲出了296個內含子。在周金秋看來，從0到296是一個“需要不斷重復”又“無聊”的工作。但研究團隊能靜下心來，耐得住寂寞，堅持不懈，一步一個腳印推動研究持續向前。

然而，當研究團隊自信滿滿地將研究論文投稿給雜志社，結果遭遇了一次不大不小的挫折。“審稿人指出，有兩個與編碼RNA相關的內含子沒有敲除，并退回了論文。”周金秋解釋說，事實上酵母內含子一直伴隨著研究的深入而有所新增。面對挫折，研究團隊沒有退縮。他們快馬加鞭，在2025年4月完成了對剩余4個內含子的敲除，完成了全部300個已知內含子的敲除工作。

一個不含任何剪接體內含子的酵母細胞首次與人類相會。而整個實驗周期也從12年縮短到4年。

這個不含內含子的酵母細胞可以用來幫助科學家們研究內含子及其進化過程。周金秋研究團隊發現，失去所有內含子后，細胞的生長速度變慢，這主要是由于核糖體生物合成受到了影響。

更令人驚奇的是，在已經失去所有內含子的細胞中，進一步刪除剪接體的多個核心組分，細胞仍然能正常存活。這表明：一旦所有內含子被徹底移除，剪接體便不再是細胞存活的必需機器。換言之，細胞演化出剪接體的主要功能是清除內含子。

這項研究以單細胞生物酵母為模型，回答了一個長期困擾生物學界的基礎問題：內含子和剪接體并非真核細胞生命存活所必需。

“在合成生物學領域，有兩大路徑。一個是做加法，通過化學方法從0開始合成一段DNA，或是蛋白質。另一個是做減法，通過剝離一個一個染色體片段，來研究片段功能。”周金秋認為，此次研究不但為探索內含子提供了一個全新的實驗平臺，也為合成真核細胞最小基因組提供了重要信息。