DNA測序技術的迅猛發展，使得我們可以比以往任何時候都更加方便地“閱讀”生物體的遺傳編碼序列，但是很多復雜生命信息很難單純通過DNA測序獲知，如果能夠人工合成染色體，實現DNA認知從“閱讀時代”到“書寫時代”的轉變，將有助于對復雜生命現象的理解。近日Chem Soc Rev雜志刊登了天津大學元英進教授等撰寫的綜述文章，詳細闡述了釀酒酵母染色體人工合成的過程。
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圖1 人工合成釀酒酵母染色體過程
人工合成原核生物支原體及大腸桿菌基因組的工作已有報道。但是釀酒酵母作為真核模式生物，由于染色體結構復雜等原因，基因組的人工合成尚未完全實現。研究人員基于“設計—構建—檢驗—糾錯—學習”循環實現了釀酒酵母染色體的人工合成：
設計環節，研究人員根據目的需要制定了以下3大原則：1、功能存活性，即合成型染色體菌株與野生型菌株具有相同或相似的生長表型與適應性；2、遺傳穩定性，剔除、重置導致基因組不穩定的DNA元件；3、操作柔性，在非必需基因后插入無方向性loxP位點從而賦予合成型染色體一定的靈活性，預留進化空間。在計算機幫助下，研究人員可以加速完成序列的設計環節。
設計完成后是構建，采用“自下而上”的方式。即首先合成約70 bp長的寡核苷酸，然后組裝成約750 bp長的“組裝磚塊”（buildingblocks），再合成2?3 kb的更大模塊，采用同源重組的方式，逐步替換釀酒酵母內源的染色體序列（圖 2A）。為了加速這一進程，也可以平行替換染色體的不同區域得到半合成型染色體，然后利用減數分裂過程中的同源重組和姐妹染色單體的交叉互換，快速得到野生型染色體全替換版本（圖 2B）。為了將平行合成的不同染色體集中到一個細胞中，還可以利用圖 2D方法，即首先融合生成二倍體再拆孢得到單倍體，獲得全是合成染色體的單倍體細胞。
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圖2 典型的構建過程
檢驗環節主要包括基因型檢驗和表型檢驗。基因型檢驗方面，開發了快捷有效的“PCRtags”分析方法，即通過引物設計區分合成型序列和野生型序列。基因型測試還采用PFGE、southern blot、全基因組測序等方法。表型測試方面，使用了一系列不同條件測試菌株生長、有絲分裂穩定性等指標。還測試人工合成染色體相比于野生型染色體在轉錄組、蛋白質組、代謝組等方面的異同。除此以外還借助結構生物學手段，分析比較了人工合成染色體在三維結構方面同野生型的構象是否有差異。即使人工合成染色體經過上述精心設計、構建和檢驗環節，仍然不可避免的有一些錯誤（bug）。通過基因型?表型關聯、PCRtags分析、全基因組測序等找到錯誤堿基，采用諸如CRISPR等技術實現糾正。
釀酒酵母染色體的人工合成，表明我國在該領域已經實現了與美國的共同領跑。在科學意義上，加深了我們對釀酒酵母這一重要模式生物的認識。特別地，合成型酵母染色體上預留的菌株進化空間，可挖掘用于醫學、工業方面的基因靶點，或者性狀優良的工業菌株的開發。