全球研究人员致力于创造首个合成真核生物基因组

2014-4-03 11:02 来源: 中国科学报
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  10年前,当遗传学家Ronald Davis首次提出,他的同事正在尝试创造人工酵母染色体,并将其放入活细胞时,Jef Boeke并没有太多想法。Davis就职于美国加州斯坦福大学医学院,是一个有远见的人。他提出,实验室酵母是当时合成生物学领域的下一个发展方向。不过,Boeke并不理解复制自然界已有的物质意义何在,而且设计与合成含1250万个碱基的基因组的任务如此繁重,甚至不可能实现。当时,Boeke在 2004年于西雅图召开的一个酵母遗传学会议上听到Davis的讲话,他“一直在思考到底为什么要这样做”。

  意义何在

  时过境迁,最近刚到纽约大学Langone医学中心就职的Boeke和同事已经完成了首个完整的合成酵母染色体,并正试图将几个染色体进行整合,这多亏了DNA制作技术的进步以及全球的合作者团队(主要是大学生)。

  其他研究人员早已合成了一种细菌的全部基因组,但是酵母基因的工作更为复杂。如果Boeke及其团队研发成功,将获得广泛的收益。“它给了我们充分探索酵母基因的能力。”Davis称,“如果人们真的想理解一种生物体,那就应该能够设计或重新设计它。”

  酵母是生物学家探索真核生物中基本细胞和代谢过程的主力。1996年,它成为第一个被破译基因组的真核生物,此后酵母遗传学家对所有基因及其编码的蛋白质之间的互动进行分析。由于酵母可以通过同源重组过程轻易地吸收外部基因,因而它在很长一段时间里是生物学家能很容易实现特定DNA碱基变异的唯一生物。

  Boeke的团队进行的基因组合成将是最终的修改。他们的工作完成之后,经过修改的酿酒酵母2.0(Sc2.0)将不会是任何普通的酵母菌株。Boeke和同事对普通酵母菌基因进行处理,在适当环境下将其重组,使其产生更多优化性能,并有助于生物学家了解每个基因的作用。

  然而,直到最近,还没有人知道一个真正的合成染色体是否可以维持真核生命。当Boeke首次试图构造酵母9号染色体(仅含有9万个碱基)的一小部分时,还没有人构造过如此长的染色体。现在基因公司已经能够构造更长的染色体,几个不同国家的实验室还能分享合成酵母染色体的成果。这些进步令Boeke对4年内在实验室复制出含有全部酵母基因的活酵母充满希望。“我们正在创造历史。”中国北京清华大学的分子生物学家、Sc2.0合作者Junbiao Dai说道。

  艰难开端

  2006 年,Boeke还在约翰·霍普金斯大学工作,在同事Srinivasan Chandrasegaran的建议下,他开始改变对酵母合成项目的想法。他们二人和Davis决定以9号染色体的9000个碱基作为开始。他们选择了9 号染色体臂的天然序列,然后加入可以随其安排而发生变化的DNA。他们在每个不必要的基因尾端插入被称为loxP的DNA短序列,这些不必要的基因可以在酵母存活的情况下被移除或改变。他们还使loxP着陆于重要的位置,例如染色体端粒处或着丝粒的中心。LoxP是标准分子生物学工具的一部分,当被加入细胞的一种化学物质激活后,它便开始在染色体中进行“抢椅游戏”。最终的结果是:基因发生重组,产生具有不同特性的酵母菌株。Boeke和同事称这一系统为 SCRaMbLE。

  为了增加基因组的稳定性,Boeke的团队摘出了可能随时跳到新位置的移动DNA元素,如还原转座子。

  Boeke和同事还向这一设计加入了两项其他的修改。在整个基因组中,他们插入特定的可被聚合酶链反应检测到的DNA短序列,该反应能区分每个合成染色体和天然染色体。最后,他们随意修补了真核生物基因组中的一些天然停止密码子,这些停止密码子会告诉细胞何时停止产生RNA。在9号染色体臂上,研究人员通过转换碱基上的鸟嘌呤和腺嘌呤,将每个停止密码子 “TAG”转变成“TAA”。在完整的合成基因组中,他们将进行1000多个这样的替换。因此,“停止”信号仍然存在,只是换了一种方式。但如果研究人员将一个人造氨基酸放入性能增强的酵母中,“TAG”就成为了人造氨基酸的密码子。

  借助约翰·霍普金斯大学计算机科学家Joel Bader开发的一个软件程序,Boeke设计了囊括所有变动的9号染色体臂,并尽可能仔细地检查确认加入的碱基不会影响其他酵母基因的表达。然后,他与生物科技公司Codon Devices合作合成染色体臂。

  11个月过去了,从未尝试过操作如此长段DNA的Codon Devices公司还没有传来消息。“这令人紧张。”Boeke回忆道。

  不过这样的黑暗时期还是鼓舞人心的。Boeke想知道,如果他建立一个致力于构建合成酵母基因组的课程,是否可以加速该过程,同时降低成本,并让其他人学到分子生物的知识。2007年,在知道9号染色体臂的操作可以完成的消息之前,他就在一个暑期学校实践了这一想法。现在,6年过去了,这一门在霍普金斯大学开办的课程总是人满为患,即使在周五的晚上。

  国际合作

  密码子设备最终传送来拥有9万个碱基的环状染色体,Boeke和同事又花费了几个月成功将其插入酵母,切除了天然的9号染色体臂,并测试其效果。合成染色体臂顺利地运行,产生了健康的酵母及合理的基因表达。Boeke的团队将报告发表在2011年的《自然》上。

  SCRaMbLE系统运行良好,其产生的酵母携带的Cre重组酶DNA被高度修正,可以随机删除或翻转任何一对loxP位置中间的DNA。“我们知道这一设计已经成功。”Boeke说,“我们希望扩大实验范围。”

  与此同时,参加最初开办的夏季课程和之后课程中的学生开始操作3号染色体。49个学生在1年半的时间里构造了合成染色体的272871个碱基。在Boeke 的博士后学生Narayana Annaluru和Hélose Muller的引导下,他们的成果最近发表在《科学》杂志上。

  “他们创造了一些相当戏剧性的变化。”加拿大蒙特利尔大学酵母系统生物学家Mike Tyer表示。

  国际合作也在逐渐形成。伦敦帝国理工学院的合成生物学家Tom Ellis在2013年7月协助组织了第二次Sc2.0会议,之前在一个更大规模的合成生物学会议上,英国政府宣布将向合成酵母基因组项目提供100万英镑的资金。Boeke称,其他国家也会参与进来。

  合作伙伴希望,在两年内可以实现将酵母的染色体聚合到一起。Boeke需要克服把它们融入一个有机体所面临的困难。“这一想法会带动如此多的人和组织参与构造不同的染色体,令我们感到惊喜。”Boeke的高级实验室协调员Katrina Caravelli说道。