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国际首例人造单染色体真核细胞创建成功

作者:会计职称
出处:www.lunrr.com
时间:2019-11-28

作者:丁佳资料来源:科学网发布日期:2018/8/2 11:06336044

选择名称:萧中

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国际第一个成功创建的人工单染色体真核细胞

中国在合成生物学上取得里程碑式的突破

覃重军研究人员观察单染色体酵母的生长杨正星照片

中国科学院分子植物科学卓越中心/覃重军研究小组及其在植物生理生态研究所合成生物学重点实验室的合作者已经创建研究结果于北京时间2018年8月2日在线发表在国际知名学术期刊《自然》上 在中国科学院乙级试点项目“细胞命运可塑性的分子机制与调控”以及中国国家自然科学基金、科技部等项目的支持下,这一成果已由中国科学家独立完成,是合成生物学的里程碑式突破。

人类能创造生命吗?2010年,美国科学家克雷格文特尔(J. Craig Venter)和他的研究团队在杂志《科学》上报道,世界上第一个“人工生命”原核支原体,它包含所有人工化学合成,具有几乎相同的天然染色体序列,引起了轰动。 这次,由覃重军研究小组领导的研究小组完成了单细胞真核生物的转移过程?酿酒酵母的天然十六条染色体被人工创造成一条功能齐全的染色体。 工作表明,通过人工干预可以简化自然复杂的生命系统,人类可以打破自然生命的界限,甚至可以人工创造自然界中不存在的全新生命。

生物学教科书中将自然界存在的生命体分为具有被核膜包裹染色体细胞核的真核生物和染色体裸露无核膜包裹的原核生物。染色体携带了生命体生长与繁殖的遗传信息,真核生物通常含有线型结构的多条染色体,而原核生物通常含有环型结构的一条染色体。覃重军研究员大胆地假设真核生物也能像原核生物一样,用一条线型染色体装载所有遗传物质并完成正常的细胞功能。在“大胆猜想”之后,他与薛小莉副研究员“工程化精准设计”了定制人造单染色体酵母的指导原则以及理性分析、实验设计、工程化推进的总体方案。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。历经4年时间,通过15轮的染色体融合,最终成功创建了只有一条线型染色体的酿酒酵母菌株SY14。 此后,覃重军研究团队进一步与合成生物学重点实验室赵国平院士、中国科学院生物化学与细胞生物学研究所周秋瑾、武汉菲沙基因信息有限公司和军医学院赵志虎等研究团队合作,进一步鉴定SY14的代谢、生理和生殖功能及其染色体的三维结构。发现尽管人工创造的单线性染色体的三维结构发生了很大变化,酵母SY14却具有正常的细胞功能,从而颠覆了染色体三维结构决定基因时空表达的传统观念,揭示了染色体三维结构与细胞生命功能实现之间全新的关系。

这一研究成果是通过经典分子生物学的“假设驱动”和合成生物学的“工程研究模型”探索和分析生命起源和进化中的主要基本科学问题的一个新例子。 天然和复杂的酵母染色体通过人工修饰以全新的简化形式表达,是原核细菌“人工生命”之后的重大突破。 单染色体酵母的“诞生”,以及中国科学家参与的酵母染色体的人工合成,是继20世纪60年代结晶牛胰岛素和tRNA的人工合成之后,中国学者第二次使用合成科学策略回答生命科学领域的一个主要基本问题,即在原核生物和真核生物之间建立基因组进化的桥梁。 这是合成生物学中“构建事物以了解”概念的生动体现,为人类研究生命本质开辟了一个新的方向。

酿酒酵母是研究染色体异常的重要模型。1/3基因与人类基因同源,有23对染色体 端粒是位于线性染色体末端的保护结构。 随着细胞分裂数量的增加,端粒的长度逐渐缩短。当端粒变得太短时,细胞就会死亡。 人类过早衰老与染色体端粒长度直接相关。 此外,端粒缩短也与许多疾病有关,包括基因突变、肿瘤形成等。 与天然酵母的32个端粒相比,覃重军研究小组人工创造的单线染色体只有2个端粒,这为研究人类端粒功能和细胞衰老提供了一个很好的模型。

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