（健康快讯）世界首例人造单染色体真核细胞诞生

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覃重军研究小组(左二)正在用钝场凝胶电泳分析人工酵母菌株的验证图。杨正兴

最近，覃重军的研究团队、中国科学院分子植物科学创新卓越中心/合成生物学重点实验室、植物生理生态研究所及其合作者，经过四年的努力，在世界范围内首次创造了单染色体真核细胞，这是合成生物学的一个里程碑式的突破。

这一成果于北京时间8月2日在国际知名学术期刊《自然》上在线发表。

敢猜是不是所有的遗传物质都能装载一条线性染色体

人类能创造生命吗？2010年，美国科学家克莱特·文特尔(Klett Venter)和他的研究团队在《科学》(Science)杂志上报道，世界上第一个“人工生命”，其中含有与自然染色体序列几乎相同的原核生物支原体，引起了轰动。

这一次，由覃重军领导的研究小组完成了将单细胞真核生物酿酒酵母的16条天然染色体人工创造成具有完整功能的单一染色体。这项工作表明，人工干预可以简化复杂的自然生命系统，人工打破自然生命的界限，甚至可以人工创造出自然界不存在的全新生命。

在自然界漫长的进化过程中，不同的生物逐渐形成了自己独特的基因组，包括相对稳定的dna序列和固定的染色体数目。染色体携带着生物生长和繁殖的遗传信息。生物学教科书将自然界存在的生物分为原核生物和真核生物。裸染色体无核膜的原核生物通常含有一条环状结构的染色体，而有核膜的真核生物通常含有多条线形结构的染色体。

“真核生物的基因组分散在多条染色体上，染色体的数量因物种而异。比如人类有23对染色体，老鼠有20对染色体，果蝇只有4对染色体。这些差异是如何造成的？染色体数目和生物功能有关吗？多条染色体相比于单条染色体有什么优势？”覃重军说，“我想，你能不能打破原核生物和真核生物的界限，然后人工创造一种功能正常的单染色体生物？"

因此，研究人员覃重军大胆假设，真核生物可以像原核生物一样，用一条线性染色体装载所有遗传物质，完成正常的细胞功能。

在基因编辑技术的帮助下，15轮融合创造了一个单染色体酵母菌株

大胆猜测之后，覃重军开始带领团队进行一系列实验。他们决定用酿酒酵母作为实验材料。

覃重军说:“酿酒酵母是具有16条染色体的单细胞真核生物，是典型的多染色体真核生物。而且是分子生物学基础研究的模型材料，被全世界科学家研究了半个世纪，非常经典。另外，与大多数真核生物相比，酵母的研究背景更清晰，操作更简单，可以让我们的工作相对简单。”

此外，公布的结果显示，截至2017年3月，酿酒酵母的16条染色体中有6条已经人工合成。

覃重军说:“在此基础上，我加强了上述假设。我能不能向前迈一步，重新排列整个酿酒酵母的染色体？”随后，他和薛晓利副研究员“工程化、精确化设计”了定制人工单染色体酵母的指导原则和理性分析、实验设计、工程推广的总体方案。2013年，酵母染色体融合正式启动。

那么，如何实现两条染色体的融合呢？

覃重军说:“一条完整的真核线性染色体通常包含一个用于染色体分离的着丝粒和两个用于保护染色体末端的端粒。要实现两条染色体的融合，需要去除两条染色体的端粒，并使它们相互连接。同时需要去除两条染色体中的一条的着丝粒，以保证细胞分裂时染色体的正常分离。”

覃重军介绍说，在这个过程中，有一个关键点是，连接时必须同时删除两个端粒和一个着丝粒，否则会不稳定而立即断裂。Crispr—cas9编辑技术帮助研究团队很好地完成了这项操作。“它可以将两条染色体连接起来，非常高效地重组，也就是说可以同时切割和补充。”覃重军说。

另外，染色体融合的序列是随机的。在做染色体融合之前，研究小组进行了一系列的验证实验。结果表明，8对染色体的随机融合是成功的，最终获得的菌株与野生酵母菌株一样生长健壮。

接下来，利用同样的染色体融合方法，研究小组进行了15轮染色体融合，最终成功创造出只有一条线性染色体的酵母菌株sy14。

人工修饰的酵母细胞非常稳定，没有明显的生长缺陷

在成功建立sy14菌株后，秦团队进一步与合成生物学重点实验室研究组、中国科学院生物化学与细胞生物学研究所周研究组、武汉基因信息有限公司、军事医学科学院赵志虎研究员等合作。，并深入鉴定了sy14的代谢、生理和生殖功能及其染色体三维结构。

结果表明，单染色体酵母表现出与野生型酵母几乎相同的转录组和表型谱，但通过减数分裂有性生殖后代数量减少。另外，染色体融合后最明显的变化是染色体的三维结构。

“虽然融合显著改变了三维染色体结构，但除了删除了几个不必要的基因外，新菌株所含的遗传物质与正常酿酒酵母相同。”覃重军说:“已经证明，人工修饰的酵母细胞出人意料地健壮，在不同的培养条件下没有表现出重大的生长缺陷。但融合染色体品系确实表现出很小的适应性限制和有性生殖缺陷，因此可能很快被自然品系淘汰。这些新发现也将有助于解释拥有更多染色体的优势。”

中国科学院院士、中国科学院分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究所所长韩冰表示，以全新简化形式对天然复杂酵母染色体进行人工转化，是原核细菌“人工生命”之后的重大突破，为人类研究生命本质开辟了新的方向。

中国自然研究机构负责人保罗·埃文斯(Paul evans)表示，这些酵母菌株也可以成为研究染色体生物学基本概念的强大资源，包括染色体复制、重组和分离，这些长期以来一直是生物学领域非常重要的课题。

值得一提的是，酿酒酵母通常是研究染色体异常的重要模型，其三分之一的基因与人类基因同源，有23对染色体。秦团队创造的单线性染色体酵母，可能为今后的许多研究课题提供模型。同时也可以为研究人类端粒功能和细胞衰老提供一个模型。

覃重军说:“端粒是线性染色体末端的保护性结构，人类的过早衰老与染色体的端粒长度直接相关。随着细胞分裂次数的增加，端粒的长度逐渐缩短。当端粒不能再短时，细胞就会死亡。此外，端粒缩短还与多种疾病有关，包括肿瘤的形成。”

人民日报(2018年8月3日第12版)