中國產單染色體酵母——驚世力作還是言過其實？

在剛剛過去的整個夏天最熱的這段時間裡，只要是關注科研的童鞋，都被這樣一條新聞全方位無死角地刷屏——中國製造的單染色體酵母橫空出世，搶在美國人前面邁出了「人造生命」史上里程碑式的一步 [1-4]。

本來是一件可喜可賀的事情，可是一些偏離事實的溢美之詞不斷地出現在科普大號推送的文章標題中，小編就不由得心生疑慮，忍不住要來刨根問底了——這項研究到底是驚世力作還是言過其實？其意義究竟何在？其未來又在何方？

牽強附會的「人造生命」

「人造生命」，多數百科中的解釋是創造自然界沒有的生命。但是嚴格來講， 這個描述並沒有給其一個清晰定義。如果只要與自然界存在的生命有一點點不同就算是人造，那麼生命科學進展到現在，每一株基因重組菌、每一隻轉基因動物，都算得上是人造生命：因為它們誕生於人類的實驗室中，本來並不存在於自然界。

而最原始、最嚴格的人造生命的定義，大約應該是「從零開始」，從沒有生命的物質合成出有生命的物質來。而現存的這些所謂人造生命，沒有一個算得上真正的從零開始——它們大多數是將現有生物進行改造得來的。

包括此次的單染色體酵母也是如此，作者們利用自然界的野生酵母，將其多條染色體末端修剪之後首尾相連拼接成一條大型染色體。染色體數量確實從16減少到了1，但是染色體中所包含的基因總量幾乎沒變，就好像把原來分裝在16個小文件夾中的文件歸整到一個大文件夾中——還是那些文件，只不過收納位置不一樣了。

由獅頭、鹿角、鷹爪、蛇身、魚尾拼接而成的中國龍，恐怕是最早的人類對於人造生物的幻想（來源：visualhunt.com）

當然整理酵母基因組的工作實際操作起來遠比整理文件要困難得多，因為生命尤其是真核生物是非常複雜的系統，有些基因僅僅是換個位置，或者拷貝數上的增減，都會影響到其功能。

與我國學者同時進行研究的美國實驗室即是被困在這樣的陷阱里：他們將16條染色體拼成了2條，卻無論如何不能完成最後的融合，也許就是因為他們沒有拼對這些染色體的排列順序，或者沒有刪除某些冗餘基因片段。

正是由這樣的研究我們才得以知道，現階段人類雖然已經可以讀取編碼生命的幾乎全部基因數據，卻並不能透徹理解這些數據的含義——如果我們將基因數據一字不落地抄一遍，勉強可以讓生命從我們的手抄本中誕生；可是要我們選擇性地抄出生命存在不可缺少的那些部分，我們還是一臉茫然。連讀懂都做不到，更不要說譜寫。從「謄寫員」到「作家」，人類還有非常漫長的路要走。

真核生物達到最簡模式了嗎？

在真核酵母之前，曾經有過原核生物被成功改造的歷史[5]。從十幾年前開始，美國生物學家克雷格·文特爾（Craig Venter）就在實驗室中合成出極為簡單的原核生物，並不斷地嘗試刪除不必要的基因，一次次挑戰著「簡單」的極限。

克雷格·文特爾與他創辦的克雷格·文特爾研究所。（來源：維基百科）

與此不同的是，這次對酵母的改造並沒有追求基因數量上的最小值——對於複雜的真核生物來說，只是把現有染色體拼接起來就已經足夠費力了。在真核生物的基因組中，大量充斥著之前被認為是「垃圾DNA」的片段， 而近來的一些研究卻又逐漸揭示了其中一些片段的作用。至於剩下的冗餘片段是否真的是垃圾？如果不是的話又有什麼作用？也正是這項酵母改造研究的後續令人期待之處。

染色體，「一條」就夠了？

在朋友圈刷屏的文章標題中，有這麼一個詞特別刺眼：「只剩一條」。用了這樣極端的限定詞，總會讓人誤以為是很多其他不必要的東西都被刪除掉了，而事實卻並非如此。上面也提到，單染色體酵母最終的一條幾乎是之前全部染色體的總和，從基因的數量來說編輯後的基因組並沒有太多的刪減，此一條非彼一條。

然而從染色體數量上來說，16到1確確實實是非常大的變化。不要覺得只要文件足夠，裝幾個文件夾都是一樣，自然界的現存真核生物會用事實進行有力反駁——絕大多數真核生物都有多條染色體，並且基因在染色體上的位置和排列對於執行其功能非常重要。

舉個最簡單的例子，在人類的生殖細胞形成過程中，如果一條染色體的一小段掉下來，在DNA修復時被連接到錯誤染色體上面去，雖然基因的數量並無增減，但卻會給胚胎的形成和發育造成不同程度的障礙。

染色體的一段發生位置變化會影響基因的表達。（來源：wikipedia）

跟人類親緣關係最近的物種黑猩猩，其染色體組與人類非常類似，只是2號染色體分成a、b兩條。因此有科學家提出這樣的說法：2號染色體的融合是人類進化的開端。雖然這種說法有待考證，但是染色體結構與功能的關係顯而易見。

人類與黑猩猩染色體組對比（來源：wikipedia）

經由人工改造獲得的單染色酵母存在哪些生理缺陷？

在單染色體酵母中，染色體的合併也確實給酵母的繁殖造成了影響。在普通培養條件下，單染色體酵母比野生型單倍體酵母的繁殖速度稍微慢一點，其通過有性生殖產生的二倍體（即單染色體加倍）酵母的繁殖速度也稍慢於野生型。

然而，單染色體酵母的二倍體中，有三分之一的菌落在有絲分裂時無法維持正常的染色體數目。在有性生殖時，單染色體酵母的二倍體產生的孢子數量和活力上都要劣於野生型。

培養皿中的念珠菌菌落，隸屬於酵母屬（來源：Nathan Reading on VisualHunt.com）

如果把單染色體酵母和野生型酵母混合進行競爭性培養，單染色體酵母生長繁殖上的劣勢就更加明顯。這樣的結果就說明，擁有多條染色體的物種無疑有更強的生存競爭能力，可以在自然惡劣的條件下存活繁衍。

也許在酵母的自然進化中也曾經出現過只擁有一條染色體的菌株，只不過因為沒能抵禦環境和同類的挑戰而消失在漫長的歷史當中了。

參考資料：

2.https://news.so-net.ne.jp/article/detail/1618102/

3.https://eurekalert.org/pub_releases_ml/2017-03/aaft-5030617.php

4.http://news.livedoor.com/article/detail/15117342/

5.https://www.guokr.com/article/441301/

（本文中標明來源的圖片均已獲得授權）

出品：科普中國

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監製：中國科學院計算機網路信息中心

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