中国团队vs.美国团队,两篇Nature打开新世界——仅一条染色体的酵母

【字体: 时间:2018年08月03日 来源:生物通

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  研究人员融合染色体,创造出了新的酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)菌株,结果显示只出现了生长和基因表达的微小变化。

  

生物通报道: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。

在最新研究中,科学家们成功融合了真核生物酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)的16条染色体,创造出一条线型染色体即可装载整个基因组的新菌株。

这一合成生物学突破性成果公布在8月1日的Nature杂志上,由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完成。同期纽约大学Langone医学中心的研究人员也使用类似技术融合了酵母染色体,但他们无法最终获得单一染色体的功能性酵母菌株,只能将染色体数量减少到两个。

两项研究结果均表明,含有融合染色体的酵母细胞未出现生长主要缺陷,仅显示了基因表达的微小改变,这表明生物体可能比生物学家预期的更能耐受染色体数目和结构的变化。

来自法国癌症和衰老研究所的遗传学家Gianni Liti(未参与该项研究)点评道,“这两项研究可能是迄今为止设计获得的最引人注目的基因组重组研究,令人惊讶的是,这些细胞实际可以存活。”

中科院研究成果

在“Creating a functional single chromosome yeast”这篇文章中,上海生命科学研究院植物生理生态研究所的覃重军,薛小莉几位研究员在国际上首次人工创建了单条染色体的真核细胞,完成了将单细胞真核生物酿酒酵母天然的十六条染色体人工创建为具有完整功能的单条染色体。这表明,天然复杂的生命体系可以通过人工干预变简约,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。



左起分别是:覃重军、鲁宁、邵洋洋、薛小莉(图片来源:中科院/杨正行摄)

真核生物的染色体数量变化很大。人类有46条,而红色山绒鼠(Tympanoctomys barrerae)有102条,雄性Jack jumper ant(Myrmecia pilosula)只有一条。

“在我看来,染色体数目在真核生物中是随机的,”覃重军说,“所以我想如果我们能创造一条染色体,那么我们就可以回答很多问题了。例如:有机体对染色体总数变异的耐受程度如何?”

为了创建一个只具有单一染色体的活酵母细胞,覃重军等人利用基因编辑工具CRISPR-Cas9切割端粒结构(每条染色体末端的重复核苷酸序列区域),将两条染色体组合在一起。同时他们也从每对染色体的一条染色体上去除了一个着丝粒,确保融合产物只有一个,因为具有多个着丝粒的染色体是不稳定的。

博士研究生邵洋洋从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。

之后,这一研究团队与中科院合成生物学重点实验室研究员赵国屏研究组、中科院生物化学与细胞生物学研究所研究员周金秋研究组、武汉菲沙基因信息有限公司及军事医学科学院研究员赵志虎等合作,深入鉴定SY14的代谢、生理和繁殖功能及其染色体的三维结构(PacBio Sequel平台)。

研究发现,虽然人工创建的单条线型染色体的三维结构发生了巨大变化,但SY14酵母具有正常的细胞功能,这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实现细胞生命功能的全新关系。


纽约大学研究成果

在全球的另一边,纽约大学Langone医学中心的遗传学家Jef Boeke和他的同事也在使用类似技术融合酵母染色体。Boeke表示,最初他的团队正在开展一项名为Synthetic Yeast 2.0的项目(旨在从头开始创建酵母染色体),当时就想要进行这样一项实验。

研究人员通过融合酿酒酵母的染色体成功地产生了新的,有活力的酵母菌株,但是Boeke团队无法获得具有单一染色体的功能性酵母菌株——他们只能将染色体数量减少到两个。

Boeke解释说,造成这种差异的原因可能有很多,不过最合理的解释是与大小尺寸有关。他指出,覃重军研究组从酵母染色体中删除了比他的研究组更多的重复序列,因此“他们的酵母基因组大小可能低于我们获得酵母的阈值。”

打开新世界

对于这两项研究成果,不少科学家们都表示惊讶,之前他们认为减少染色体数量应该对生物体产生重要的影响,但是结果显示并非如此,尽管基因组的三维结构发生了重大变化,但基因表达只发生了微小变化。

之前的许多研究表明,基因组在细胞中的组织方式有助于基因调控,而这改变了基因组三维组织的作用。

华盛顿大学计算生物学家William Noble指出,虽然合成染色体的整体结构发生了改变,但基因组中特定区域之间的局部相互作用仍然与原始菌株相似。 “总体来看,看起来基因表达和3-D染色质之间并不像有很强的联系,但在局部也许存在,”他补充道。

两项研究都报道,工程酵母细胞能够与其它具有相同数量染色体的细胞一起繁殖,但Boeke的研究小组发现,当16条染色体完整的野生型酵母与染色体较少的酵母交配时,孢子产量的效率随着合成菌株中染色体数量的下降而下降,野生型酵母和合成的8号染色体酵母几乎不能产生孢子。

虽然这种作用背后的机制尚不清楚,但Boeke认为通过改变其染色体数目来繁殖分离酵母可能对合成酵母的未来应用有用,例如生物传感器。这种方法可以提供一种生物封存(biocontainment),限制工程酵母在需要的特定环境之外发生传播。

酵母中的这些发现是否会能扩展到人类等高等真核生物尚未确定。薛小莉指出,有证据表明染色体融合可以在其他具有更复杂基因组的生物体中自然地发生,例如,人类的2号染色体似乎来自于两个祖先猿染色体的融合。

目前,研究人员计划创建更多新的酵母菌株,用以解答有关染色体生物学的问题,例如结构如何影响基因表达。Boeke说,这些论文“又开启了更多问题”。

(生物通:万纹)

原文标题:

Y. Shao et al., “Creating a functional single chromosome yeast,” Nature, doi:10.1038/s41586-018-0382-x, 2018.

http://www.nature.com/articles/s41586-018-0382-x

J. Luo et al., “Karyotype engineering by chromosome fusion leads to reproductive isolation in yeast,” Nature, doi:10.1038/s41586-018-0374-x, 2018.

http://www.nature.com/articles/s41586-018-0374-x





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