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实现“人造生命”里程碑式重大突破 我国科学家“创造”世界首例单染色体真核细胞

来源:新浪新闻 2018-08-03 12:38

 

 

日前,中科院分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究所合成生物学重点实验室覃重军研究团队与合作者,在国际上首次人工创建了单条染色体的真核细胞:把酿酒酵母细胞里原本天然的16条染色体,人工融合成单条染色体,且仍具有正常的细胞功能。既改变了染色体的结构,又仍保有生命的“活性”,人工蜕变出一个全新细胞。该成果于北京时间8月2日在国际顶尖学术期刊《自然》在线发表,这项工作完全由中国科学家独立完成,是在“人造生命”领域具有里程碑意义的重大突破。

酿酒酵母基因1/3与人类同源

生物学教科书中,将自然界存在的生命体,分为真核生物和原核生物。所有真核生物细胞含有的染色体有多条,且都是线型结构,如人类、小鼠、酿酒酵母等都是真核生物。而原核生物细胞含有的染色体通常只有一条,且是环型结构,如大肠杆菌、破伤风菌等许多细菌。真核生物能否像原核生物一样,只用一条染色体来装载所有遗传物质并完成正常的细胞功能呢?覃重军研究员做出一个大胆猜想。在这之前,自然界从没发现过一条染色体的真核生物。覃重军团队做出小心求证,他们随机把酿酒酵母16条染色体中的任意2条进行融合,如此操作了8次,得到一个惊人的发现——菌株的生长速率几乎不变。这意味着,原先的大胆猜想是有可能实现的。

为什么选择酿酒酵母?酿酒酵母是日常发酵中最常用的生物种类,不仅用于制作面包、啤酒等,还是用于生命科学研究的代表性真核生物。作为1996年第一个完成基因组测序的真核生物,酿酒酵母有16条染色体,其基因约有1/3与人类同源。

探索生命起源与进化新范例

覃重军与薛小莉副研究员“工程化精准设计”了人造酵母染色体的实验总体方案。博士生邵洋洋从2013年开始尝试并发展高效的染色体操作方法,历时4年,通过15轮染色体融合,最终成功创建了只有一条线型染色体的单细胞真核生物酿酒酵母菌株SY14。

虽然在2010年,《科学》杂志曾报道,美国科学家做出世界首个“人造生命”:与天然染色体序列几乎相同的原核生物支原体,但由于科学家对其生命密码没有完全掌握,并未对其进行任何改造,只是单纯地复制。以覃重军课题组为主的研究团队,真正实现将真核酿酒酵母天然的16条染色体“合一”,创建为具有完整功能的单条染色体。仅有一条染色体的真核细胞,打破了教科书中原核生物与真核生物的界限。该项工作表明,天然复杂的生命体系也可通过“人造”变简约,自然生命的界限可以被人为打破,甚至可以人工创造全新的自然界不存在的生命,为人类对生命本质的研究开辟新的方向。

覃重军研究组与合成生物学重点实验室赵国屏院士研究组、中科院生物化学与细胞生物学研究所周金秋研究员研究组、武汉菲沙基因信息有限公司及军事医学科学院赵志虎研究员等团队合作发现,尽管单条人工染色体的三维结构发生巨大变化,但SY14酵母在基因组表达、细胞复制周期等变化非常小,仍具有正常细胞功能。这一发现颠覆了染色体结构决定基因表达的传统观念,揭示了染色体结构与实现细胞生命功能的全新关系。这是继人工合成牛胰岛素和人工合成酵母丙氨酸转移核糖核酸之后,中国学者利用合成科学策略,探索生命起源与进化的重大基础科学问题的新范例。

在医药和工业发酵

具有应用潜力

此次人造酿酒酵母获重大突破,将会给人们的生活带来哪些影响?覃重军介绍,人工合成酵母在医药和工业发酵等领域具有应用潜力。

比如说细胞衰老问题,随着细胞分裂次数增加,染色体末端的端粒长度会逐渐缩短,当端粒变得不能再短时,细胞就会死亡。人类的过早衰老与染色体的端粒长度直接相关。此外,端粒的缩短还与许多疾病相关,包括基因突变、肿瘤形成等。由于端粒长度不一,在药物开发和筛选时,需要取多个端点的平均值,观测、计算均繁复。与天然酵母的32个端粒相比,覃重军研究团队人工创造的单条线型染色体仅有2个端粒,很多规律可以更清晰地得到,为研究人类端粒功能及细胞衰老提供了很好的模型。此外,由于是重新编排酵母染色体,没有导入任何外来基因,因此这一酿酒酵母仍可食用,未来可以强化其营养成分,向超级营养酿酒酵母发展。(生物谷Bioon.com)


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