世界上基因数量最少的人造合成细胞问世
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图片说明:Syn3.0只有473个基因,是目前世界上基因组规模最小的生命。 图片来源:MARK ELLISMAN/NATIONAL CENTER FOR IMAGING AND MICROSCOPY RESEARCH


日本的重楼百合是世界上基因组规模最大的生物,其DNA比目前已经分析过的所有其他植物和动物的基因组都更大,有1500亿个碱基对,其数量是人类的50倍。而近日,美国的生物学家们在加利福尼亚的一个培养皿中制造出了世界上基因组规模最小的生命。基因组测序专家克莱格•文特尔带领团队设计并制造出了最简单的人造合成细胞,这个被称为Syn3.0的人造生命只有473个基因,它的基因数量是重楼百合的282000分之1。

克莱格•文特尔是基因测序领域的先驱,被很多人称为生物学界的“坏小子”。在1990年"人类基因组计划"正式启动时,他公然叫板该计划,并率领团队与其展开竞争。正如Syn3.0的名字所暗示,它并不是文特尔合成的第一个人造生命。2010年,文特尔的团队声称合成了丝状支原体(一种基因组相对较小的细菌)的单个染色体,并把这个染色体移植到一个单独的山羊支原体上,之前他们曾在这个山羊支原体提取过DNA。随后研究团队发现,这种人造微生物会合成通常属于丝状支原体的蛋白质,而不是山羊支原体的蛋白质。这就是文特尔的团队制成的Syn1.0,它具有901个基因。

在制造Syn3.0的过程中,文特尔和该项目的另一位领导人JCVI的 Clyde Hutchison采用去除Syn1.0中不太重要的基因的方法,以此来找出构成生命所需要的最小的基因组。

最初,他们将所有研究人员分为两个小组,每组完成相同的任务:运用所有的基因组知识和技术制造出基因数量尽可能小的细菌染色体。然后,两个小组最终制造出的染色体都分别被合成并放入山羊支原体,看它们是否能够产生活的生命体,但实验结果均未成功。

经过反复实验,研究团队最终将Syn1.0的901个基因分成8个部分,并将每个部分当成独立的模块来对待。他们在每一部分的开头和结尾处都加上完全相同的DNA标签,以便将来能更容易地将分开的8个部分重新组合在一起。然后,研究人员逐一拆除每个模块中的DNA,再复制剩余的基因组,并将它们嵌入山羊支原体,看这些基因能否产生活细胞。如果基因组不起作用的话,他们就知道切除掉了不该切除的基因,于是再把这个基因添上。研究人员还通过在染色体上植入一种叫做转位子(原核生物的染色体或质粒中存在的转移因子之一,可运输标记基因)的外来遗传物质的方法,分别检测这901个基因存在的必要性。

通过这种方法,研究团队系统地削减了功能相同的基因和不必要的基因,并最终得到了Syn2.0。Syn2.0具有525个基因,它是首个基因组规模小于尿道支原体的微生物,而尿道支原体是自然界中基因组规模最小的生物。

随后,研究人员重新整理了剩下来的这525个基因,并运用相同的办法,继续一步步削减Syn2.0上不太重要的或者与其他基因功能重合的多余基因。最终,研究团队制造出了Syn3.0。Syn3.0仅有473个基因,是目前已知最小、最简单的可自我复制的细胞。在实验器皿中,Syn3.0的数量每3个小时就可以翻倍。这说明尽管它的基因组很少,但它具有顽强的生命力。

Syn3.0这种极简化的基因结构令进化生物学家和生物技术学家们感到兴奋,他们希望在将来能够把基因一个个加到Syn3.0身上,从而研究每个基因的具体功能。但研究团队目前还没有完全了解Syn3.0,因为他们还不清楚占Syn3.0基因组三分之一的149个基因到底在起什么作用。所以,接下来他们会继续研究这149个基因的具体功能,在这个过程中,可能还会削减更多的基因。美国麻省理工学院的一位合成生物学家表示,Syn3.0的研制可能会帮助人类制造出一种体内每个基因组的作用都被人类充分了解的活细胞。(科学之家:译审/编辑:MHJ)
文章来源: http://www.sciencemag.org/news/2016/03/synthetic-microbe-lives-less-500-genes
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相关文献

 
1、 Design and synthesis of a minimal bacterial genome | Clyde A. Hutchison, Ray-Yuan Chuang, Vladimir N. Noskov | DOI: 10.1126/science.aad6253 | Science | http://science.sciencemag.org/content/351/6280/aad6253
2、 Synthetic Genome Brings New Life to Bacterium | Elizabeth Pennisi | DOI: 10.1126/science.328.5981.958 | Science | http://science.sciencemag.org/content/328/5981/958

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