天津大學同期刊發兩篇Science文章：合成生物學重大成果

　　由天津大學系統生物工程教育部重點實驗室元英進領導的研究組3月10日在Science雜志上刊發兩篇文章，一篇文章報道了全化學合成重新設計的真核生物釀酒酵母十號染色體，長達707 Kb，創建了一種高效定位生長缺陷靶點的方法（pooled PCRTag mapping[PoPM]），解決了合成型基因組導致細胞失活的難題，并且提供了一種表型和基因型關聯分析的新策略，有助于延伸對基因組和細胞功能的認知。另外一篇文章首次報道了精確匹配設計序列的真核生物染色體的化學合成，驗證和評判了當前真核生物人工染色體的設計原則。同時，開發了定制化人工構建釀酒酵母環形染色體的方法，為研究染色體重排、癌癥、衰老、人類染色體異常疾病等提供了新的研究思路和研究模型。

　　兩篇文章的通訊作者均為元英進教授，第一作者分別為天津大學博士生吳毅和 “國家優青獲得者”李炳志，以及博士生謝澤雄和李炳志。

　　合成生物學（Synthetic Biology）是繼“DNA雙螺旋發現”和“人類基因組測序計劃”之后，以基因組設計合成為標志的第三次生物技術革命。釀酒酵母基因組合成計劃（Sc2.0計劃）是合成基因組學（Synthetic genomics）研究的標志性國際合作項目。該項目由美國科學院院士杰夫·伯克發起，有美國、中國、英國、法國、澳大利亞、新加坡等多國研究機構參與并分工協作，致力于設計和化學再造完整的釀酒酵母基因組。元英進是該計劃的國際化推動者及中國最早參與者。

　　生物學領域把研究對象劃分為原核生物和真核生物。原核生物如細菌、支原體的基因比較簡單，用現成的化學物質復制出原核生物的DNA是不困難的。而動物、植物、真菌等等真核生物的DNA既豐富又復雜，通常會包含數億，甚至數十億遺傳堿基信息，同時遺傳物質DNA被分配到不同的染色體中，而這些染色體又深藏在細胞核的特定區域。所以，合成一個真核生物的基因組是一項非常艱巨的任務。合成真核生物基因組技術一旦獲得突破，將引發生物學領域的技術革命，并會在醫藥、能源、環境、農業、工業等領域產生重要影響。

　　釀酒酵母是生物學研究中的模式真核單細胞生物。元英進在接受采訪時表示：“化學合成酵母一方面可以幫助人類更深刻地理解一些基礎生物學的問題，另一方面可以通過基因組重排系統(SCRaMbLE)，實現快速進化，得到在醫藥、能源、環境、農業、工業等領域有重要應用潛力的菌株。”

　　Sc2.0計劃旨在重新設計并合成釀酒酵母的全部16條染色體（長約12Mb，Mb：百萬堿基對）。2014年Sc2.0已創建了一個單一的人工酵母染色體，這次科學家們共完成了5條染色體的化學合成，其中中國科學家完成了4條，占完成數量的66.7%，把Sc2.0計劃向前推進了一大步，意味著已經成功合成了酵母基因組的約三分之一。元英進帶領的天津大學團隊完成了5號、10號（synV、synX）染色體的化學合成，并開發了高效的染色體缺陷靶點定位技術和染色體點突變修復技術。戴俊彪研究員帶領清華大學團隊完成了當前已合成染色體中最長的12號染色體（synXII）的全合成。深圳華大基因研究院團隊聯合英國愛丁堡大學團隊完成了2號染色體（synII）的合成及深度基因型－表型關聯分析。

　　人工基因組的設計遵循三點原則：保持人工細胞生長狀態接近野生型、增加基因組穩定性和增強遺傳操作靈活性。

　　問題1：在基因組尺度的DNA合成中面臨的一個巨大的挑戰是定位人工基因組中影響細胞長勢的序列，即缺陷（bug）。常規的排除缺陷（debugging）的方法包括：1）將合成型DNA分段檢測，逐步鎖定靶點，缺點是耗時耗力，對于多靶點引起生長缺陷的問題難以定位；2）利用減數分裂染色體鏈交換得到合成型DNA和野生型DNA的拼接結構，再逐個檢測孢子，收集整理大量孢子的表型和基因型數據，進一步分析鎖定缺陷靶點，缺點依舊是需要大量的時間和人力。化學合成的基因組能否具有正常的生物學功能，是否影響細胞對不同環境的適應性，是哪些基因哪段序列影響細胞生長？急需一種高效的定位細胞生長缺陷靶點的方法來加快合成基因組學的發展。此外，通過生長缺陷靶點的定位，可以修正和補充當前的認知，指導未來的基因組設計。

　　問題2：在人工設計合成基因組的研究中，實際序列與設計序列的精確匹配對于系統性評價當前真核生物的設計原則至關重要。全基因組范圍內發生非常小的核苷酸變化，都可能對生物表型產生重大影響乃至致死。因此，超長人工DNA片段的精準合成難題亟待解決。基因操作導致的核苷酸變化在全基因組范圍隨機分布，種類繁雜，同時真核生物基因組復制過程中會產生核苷酸變化，為基因組的精確、快速修復帶來巨大挑戰。

　　問題3：真核生物基因組呈線性，快速、定制化的染色體環化技術相對缺乏，對環形染色體疾病的研究與治療造成障礙。

　　元英進團隊開創性地利用加注的標簽系統和混菌策略，創建了一種高效定位缺陷靶點的方法，即“混菌PCR標簽定位法”（pooled PCRTag mapping[PoPM])。通過缺陷靶點的定位與修復，挖掘出了未知的酵母生物學新知識，如：YJR120W基因的3‘端loxPsym位點的引入影響附近基因ATP2的表達；必需基因FIP1重編碼會引入新的轉錄因子Rap1p的潛在結合位點。

　　另外，研究團隊利用酵母減數分裂同源重組機制修復了合成型染色體上的大片段重復和重排的變異結構。PoPM可適用于任何有水印標識的合成型染色體的缺陷定位，是排除化學基因組缺陷的有力工具，也是定位表型和基因型關系的新策略，有望顯著提升人類對基因組結構和功能的理解。

　　創建了多級模塊化和標準化染色體合成方法，建立了一步法大片段組裝技術和并行式染色體合成策略，實現了由小分子核苷酸到活體真核染色體的定制精準合成。建立了基于多靶點片段共轉化的基因組精確修復技術，實現了真核染色體化學合成序列與設計序列的完美匹配，該技術的突破為基因組的重新設計、功能驗證與技術改進奠定了基礎。設計構建了一組合成酵母V號染色體環形模型，并通過人工基因組中設計的特異標簽實現對細胞分裂過程中染色體變化的追蹤和分析，為研究當前無法治療的環形染色體疾病的發生機理和潛在治療手段建立了研究模型 。