世界首例！「單條染色體酵母」made in China
文章來自;科學大院
作者：馬小舒
釀酒酵母大家都不陌生，我們日常做啤酒做麵包都離不開它，它本來有16條染色體，可你見過只有單條染色體的釀酒酵母嗎？
中國科學院分子植物科學卓越創新中心/植物生理生態研究所覃重軍研究員研究組成功構建了「單條染色體的釀酒酵母」，相關論文於北京時間2018年8月2日在線發表於國際頂尖學術期刊《Nature》上。
這是世界首例「單條染色體真核細胞」，是地地道道的中國製造，同時也是合成生物學和「人造生命」領域的里程碑式的進展！論文共同的通訊作者為中國科學院分子植物科學卓越創新中心/植物生理生態研究所的薛小莉副研究員，中國科學院生物化學與細胞生物學研究所的周金秋研究員和中國科學院分子卓越創新中心/植物生理生態研究所的趙國屏院士。
覃重軍研究員研究組成員
單染色體的釀酒酵母誕生
釀酒酵母原本含有16條染色體，經過基因編輯技術（CRISPR/Cas9）及利用釀酒酵母高同源重組能力進行染色體融合，覃重軍研究組及合作者實驗室最終獲得了只有一條染色體的釀酒酵母真核細胞。
這項研究歷經4年，通過15輪染色體融合，成功將天然釀酒酵母單倍體細胞的16條染色體融合為１條，該釀酒酵母菌株被命名為SY14。
SY14菌落形態
顛覆了染色體三維結構決定基因時空表達的觀念
如此大幅度的改動釀酒酵母的染色體結構，是否會對它的三維結構產生影響呢？答案是肯定的，但是這種影響，並沒有影響到釀酒酵母細胞的功能。
將十六條染色體融合成一條，使SY14的染色體三維結構也發生了巨大變化，野生的釀酒酵母細胞的染色體「整齊有序」，像一朵含苞待放的花苞，而SY14則「雜亂無序」，更接近球形結構（圖2）。但是如此巨大的改變，幾乎不影響SY14的基因表達和細胞功能，從而顛覆了染色體三維結構決定基因時空表達的傳統觀念。
圖2：野生型釀酒酵母與人造單染色體酵母SY14的細胞形態及染色體三維結構對比
構建「單條染色體酵母」有什麼意義？
生物學教科書中將自然界存在的生命體分為具有被核膜包裹染色體細胞核的真核生物和染色體裸露無核膜包裹的原核生物，真核生物通常含有多條線型結構的染色體，而原核生物通常含有一條環型結構的染色體。而SY14這種單條染色體真核細胞的「誕生」，突破了人們對於真核生物和原核生物界限的傳統認知。
細胞衰老是生物在生命過程中整個機體形態、結構和功能逐漸衰退的綜合現象。生物的機體由細胞構成，生命的衰老起始於細胞的老化。而細胞的老化又與端粒有著密不可分的關係。?
端粒是真核細胞線性染色體末端非編碼的DNA?重複序列和與之相連的端粒結合蛋白的功能性複合體。端粒的主要作用保護染色體末端免於融合和退化，在染色體定位、複製、保護和控制細胞生長及壽命方面具有重要作用，並與細胞凋亡、細胞轉化和永生化密切相關。當細胞分裂一次，每條染色體的端粒就會逐次變短一些。
人類的過早衰老與染色體的端粒長度直接相關，端粒的縮短還與許多疾病相關。與天然酵母的32個端粒相比，SY14酵母的單條線性染色體僅有2個端粒。由於釀酒酵母三分之一基因與人類基因同源，單染色體酵母細胞為研究人類端粒功能及細胞衰老提供了很好的模型，並且對於人類疾病的防治具有重要意義。
染色體端粒（來自百度百科）
為什麼採用釀酒酵母細胞進行改造？
原因有三點：
1.釀酒酵母是最簡單的真核模式生物。
2.釀酒酵母遺傳背景清晰，基因功能研究較為完整。
3.釀酒酵母同源重組能力很高，遺傳操作方便。
合成生物學到底是什麼？
「合成生物學」就是用人工合成的方法，對現有的、天然存在的生物系統進行重新設計和改造，或者通過人工的方法，創造自然界不存在的「人造生命」。
從本質上來說，合成生物學是在分子水平上對生命系統的重新設計和改造，基因工程、代謝工程、蛋白質工程等技術是其核心的技術手段。
因此，在人工設計的指導下，在簡約的「細胞」或「系統」底盤上，構建人工生物系統並實現其運行的優化。該項研究也是基於此，將天然複雜的生命體系（具有十六條染色體的釀酒酵母真核細胞）通過人工干預變簡約（具有單條染色體的酵母真核細胞），從而構建人工「創造」自然界不存在的生命。
展望
單染色體酵母的誕生打破了我們對傳統合成生物學的固有認知，為生命科學另闢了一條蹊徑，也是人類歷史上的一次重大飛躍！同時，人工構建的一系列染色體融合的酵母菌株為人類染色體端粒與細胞衰老、腫瘤形成提供了模型。
合成生物學的魅力正是通過重塑去重新認知，而這項震驚國際的成果也為進化和演化提供了全新的探索。
