《中国科学家开启再造生命新纪元-人工合成4条酵母染色体》

  • 来源专题:转基因生物新品种培育
  • 编译者: Zhao
  • 发布时间:2017-03-13
  • 由天津大学、清华大学和华大基因分别完成的这4篇长文,介绍了真核生物基因组设计与化学合成方面的系列重大突破:完成了4条真核生物酿酒酵母染色体的从头设计与化学合成——要知道,酿酒酵母总共有16条染色体,此前国际同行奋斗多年才发现了一条。

    在合成染色体的过程中,他们还突破了生物合成方面的多项关键核心技术,比如:突破合成型基因组导致细胞失活的难题,设计构建染色体成环疾病模型,开发长染色体分级组装策略,证明人工设计合成的基因组具有可增加、可删减的灵活性,等等。这些技术将帮助在全世界的生命科学研究和相关实际应用中大显身手,其价值不可估量。

    国内外同行指出,这是继合成原核生物染色体之后的又一里程碑式突破,开启人类“设计生命、再造生命和重塑生命”的新纪元。

相关报告
  • 《我国科学家在环形染色体重排研究方面取得突破进展》

    • 来源专题:生物安全知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者:hujm
    • 发布时间:2018-10-09
    • 近日,《自然·通讯》(Nature Communications)杂志在线发表了我国科学家的研究论文 “Ring Synthetic Chromosome V SCRaMbLE”,证实了人工合成环形染色体在基因型和表型上的连续进化能力,显示与天然线性染色体相比,人工环形染色体具有更复杂的重排变化规律。该研究是在国家科技计划支持基础上,由天津大学元英进牵头的团队取得最新突破性进展。 染色体结构变异对生物表型多样性具有重要的影响。该研究以含有环形5号染色体的单倍体酿酒酵母菌株为模型,利用合成型酵母染色体特有SCRaMbLE系统研究基因组结构变异和进化,揭示了环形染色体可以连续产生复杂的基因组变异和表型优化。 (PDV)的生物合成途径作为基因组重排的筛选标记,通过诱导环形染色体的基因组重排获得了非整倍体酵母菌株,PDV产量提升约7倍,并且检测到1、3、6、12、13和环形5号染色体的非整倍体加倍。 与线性染色体的结构变异相比,环形染色体发生基因组重排后产生了更多的结构变异,包括DNA片段的重复、插入、易位和反转。该研究检测到29种非天然存在的新型结构变异,其中有11种和PDV的生物合成提升相关联;同时,发现未表征基因YER182W的缺失与PDV的产量提升有关(见下图)。 本研究基于前期人工构建的酿酒酵母环形染色体,利用SCRaMbLE重排进化系统开展环形染色体结构变异与功能分析研究,证实环形染色体的结构变异可以改变染色体数目、结构和组织形式以推动基因组的进化。他们建立的DNA基因型与生物表型关系的研究新模型,有望用于染色体重排、微生物细胞工厂性能提升、生命快速进化和人类染色体异常疾病等研究。
  • 《科学家发现简化人类人工染色体构建的新方法》

    • 来源专题:生物安全知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者:hujm
    • 发布时间:2019-07-29
    • 在过去的20年中,科学家们一直在努力完善人类人工染色体(human artificial chromosome, HAC)的构建。在一项新的研究中,来自美国宾夕法尼亚大学的研究人员通过绕过形成天然染色体所需的生物学要求,描述了一种形成HAC的一个重要部分---着丝粒---的新方法。简言之,他们通过生化手段将一种称为CENP-A的蛋白直接运送到HAC DNA上,从而简化实验室中的HAC构建。相关研究结果发表在2019年7月25日的Cell期刊上,论文标题为“Human Artificial Chromosomes that Bypass Centromeric DNA”。 论文通讯作者、宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院生物化学与生物物理学教授Ben Black博士说道,“我们取得的进展简化了HAC的构建和表征,从而有助于人工制造全人类染色体。” HAC基本上作为新的微型染色体发挥作用,携带着一组经过改造的基因,它们可与细胞的天然染色体组一起遗传。生物工程师设想HAC执行各种任务,包括递送用于基因治疗的大分子蛋白,或者运输自杀基因来抵抗癌症。 论文第一作者Glennis Logsdon说道,“想象我们构建的HAC是模型大小的染色体。通过能够以一种更直接的方式构建出HAC上的着丝粒,我们更接近于扩大到全尺寸的染色体。” 在分裂过程中从来自母体细胞的HAC遗传到子细胞中是关键,这说明了着丝粒的重要性。着丝粒是在细胞发生分裂时将成对的“姐妹”染色体保持在一起的重复染色体的压缩区域。若没有它,整个染色体在细胞分裂期间会丢失。 在细胞复制期间,人着丝粒并非简单地由DNA序列编码,这一点不同于多年来用于合成染色体研究的面包酵母。比如,哺乳动物依赖于CENP-A蛋白来指定染色体上的着丝粒位置,以便进行精确的细胞分裂。 之前在试管中形成HAC着丝粒的尝试仅在它们“遇到”CENP-A时才会发生,而且这种不太可能发生的事件仅发生在HAC基因组的高度重复DNA序列上。Black说,“然而,高度重复DNA是分子生物学家的噩梦,这是因为利用我们如今拥有的方法研究它们是最为困难的,这是因为这些方法都是针对非重复DNA设计的。” Black团队通过将CENP-A直接运送给HAC DNA而完全绕过了重复DNA。他们的解决方法涉及“迫使”CENP-A与非重复DNA序列结合,以便形成HAC的新着丝粒。 Black说道,“我们采用了我们的着丝粒绕过方法,从而制造出功能齐全的HAC,而且不会遭受过去二十年来重复着丝粒DNA给哺乳动物染色体工程师带来的克隆噩梦。基于我们的成功,我们和合成染色体领域的其他人如今将有机会获得迄今为止仅在酵母细胞中取得的成就。” 这个合成生物学领域的下一步是将Black实验室构建的着丝粒与其他人设计的一组基因连接在一起。这个循序渐进的构建项目是人类基因组编写计划(Human Genome Project—Write, HGP-write)的目标:构建真实尺寸的合成染色体。Black团队的贡献将有助于加速构建基于合成染色体的有用的研究工具和临床工具。