天津大学最新文章：酵母基因组工程
生物通报道：酿酒酵母染色体的人工合成突破了真核生物基因组重新设计与合成, 将引发基因组工程研究新的高潮. 近期来自天津大学系统生物工程教育部重点实验室，深圳华大基因研究院等处的研究人员以酵母基因组工程为例, 对“自上而下”和“自下而上”两种不同策略的基因组工程研究取得的最新进展进行综述, 并展望其发展前景和趋势.
DNA 双螺旋结构和“中心法则”的发现与阐明使人类开始在核酸分子水平上认识生命现象； 基因测序技术的发展和“人类基因组计划”的完成标志着高通量“读”基因组生命信息的实现； 合成生物学发展推动的通过人工设计合成来“写”基因组信息标志着“人造生命”的开始.
人工DNA合成技术和DNA大片段操作技术推动了基因组人工合成研究的进步. 丙型肝炎病毒、脊髓灰质炎病毒、X174噬菌体、T7噬菌体、水稻(Oryza sativa)叶绿体和小鼠(Mus musculus)线粒体等基因组序列先后实现了人工改造与合成, 尤其是活性人工基因组设计与合成的成功使人工基因组合成工作受到了世界的极大关注, 即支原体基因组和酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)染色体的合成.
2008年, Venter 研究组实现了生殖支原体(Mycoplama genitalium)基因组的全化学人工合成, 并于2010 年将人工合成的蕈状支原体(Mycoplasma mycoides)基因组转入移除自身染色体的山羊(Capra aegagrus hircus)支原体(Mycoplasma capriolum)细胞中, 得到了能够发挥正常功能的全新的支原体细胞.
2011年, Boeke研究组分别对酿酒酵母Ⅵ号染色体左臂和Ⅸ号染色体右臂进行了人工设计, 并于2014年成功合成了具有生物学活性的完整Ⅲ号人工染色体, 标志着基因组人工合成工作进入真核生物领域. 酿酒酵母作为单细胞真核生物, 是生物学研究和生物技术开发的模式生物, 因此本文将以酵母为例综述基因组工程领域取得的最新进展.
作者介绍道，“自上而下”基因组工程是指从野生基因组出发, 通过删除、替换等方法实现对基因组的工程化改造, 主要研究包括基因组简化和基因组编辑技术. “自下而上”的策略则是通过理性设计, 采用从头合成路线, 利用标准化元件逐步组装构建遗传线路、功能基因模块以至合成基因组.
酿酒酵母人工染色体合成工作目前正在全球范围内有序展开, 随着基因合成和测序成本的降低、大片段DNA组装技术的发展和染色体合成经验的积累, 酿酒酵母染色体合成工作的进展必将逐步加快, 携带全部16条合成型染色体酵母菌株的问世指日可待. 同时, 随着基因组工程技术的成熟和完善, 有可能在现有人工酵母基因组的基础上进一步进行更深层次的人工再设计与全合成. 同时, 模式生物人工基因组的设计合成必将推动人造生命研究的快速发展, 为人类研究生命的起源、进化演化等问题提供全新的解决策略.
酵母基因组工程在“转基因”、“基因组简化”、“基因组编辑”等对原有基因组进行改造, 到人工设计合成全新的染色体的发展过程中, 不仅开发了多种基因组工程技术, 而且拓宽了酵母工程菌的应用范围. 集合了美国、中国、英国、澳大利亚、新加坡等国科研力量的酿酒酵母人工染色体合成项目, 在重新设计合成酵母16 条染色体的同时, 添加了可人为操作的SCRaMbLE系统, 可以实现酵母快速进化.
科学理论上, 人工设计与合成酵母基因组及其后续开展基因组快速进化研究, 不仅可实现对酵母全基因组功能研究, 如获取未知基因的功能, 而且通过基因组随机变化产生的酵母菌库, 为研究酵母进化史提供了大量的素材. 技术层面上, 人工设计与合成酵母基因组大幅度带动DNA合成技术发展, 促进DNA合成成本的降低. 鉴于酵母是真核模式生物, 其基因组合成累积的理论和技术, 在一定程度上可以应用于复杂多细胞生物基因组的合成, 这为人类探索合成低等动物基因组起到了极大的支撑作用.
工程应用上, 通过环境压力驯化筛选的人工酵母菌, 可以多角度应用于与人类生存、生活息息相关的领域. 如获得耐高温菌、对产物耐受性高或者对不同pH的生存环境有较强适应性的酵母菌等, 对生物制药、污染治理、能源及化学品生物制造产业均有工程应用价值.
