魔剪創造人工新生命：中國創建全球首例人造單染色體真核細胞

近日，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合成生物學重點實驗室研究員覃重軍研究團成功創建了全球首例人造單染色體的真核細胞。該成果於8月2日發表於《Nature》，是合成生物學領域的里程碑。

酵母號稱是「真核生物的大腸桿菌」，其中釀酒酵母是研究染色體功能的重要模型，有約1/3的基因與人類同源。釀酒酵母單倍體具有16條染色體，總長約12Mb。

該研究的最重要的工作之一是將16條染色體「end-to-end」融合連接為一條染色體（圖1）。在形成穩定的融合染色體的過程中，為避免產生具有多著絲點的染色體，必須刪除多餘的著絲粒（15個，紅色），端粒（30個，藍色）和端粒附近的長重複單元序列（長約2kb，綠色）。

圖1 釀酒酵母的16條染色體被連接為一條染色體

這個過程主要是得益於高效的CRISPR-Cas9切割系統，並將目的序列進行同源重組，融合為一條染色體（圖2）。該過程能將2條染色體融合為一條穩定的染色體，一共進行了15輪融合。

圖2 CRISPR-Cas9介導的染色體融合

與野生型相比，單染色體釀酒酵母的三維結構發生了巨大的改變，但是幾乎不影響其基因表達（轉錄組幾乎沒有發生變化）和細胞功能（圖3），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。單染色體酵母能夠支持細胞生命的存在，但融合後的染色體菌株表現出小的適應性限制和有性生殖缺陷，如在同野生型的競爭中處於劣勢等。這些發現或有助於解釋擁有較多染色體的優勢。

圖3 野生型與人造單染色體酵母的細胞形態及染色體三維結構對比

總之，這是人類第一次在實驗室中創造了單染色體真核生物，為探索生命起源與進化等重大基礎科學問題開闢了一個新方向。

參考文獻

Shao YY, Lu N, Qin ZJ, et al. Creating a functional single-chromosome yeast[J]. Nature, 2018, published online.

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