Science：清華大學戴俊彪研究組報導釀酒酵母十二號染色體的設計與人工合成

2017年3月10日,國際頂尖學術期刊《Science》雜誌上線上發表了清華大學生命科學學院戴俊彪研究組、陳國強和吳慶餘研究組、約翰霍普金斯大學喬爾巴德(Joel S. Bader)研究組、愛丁堡大學蔡毅之研究組、紐約大學傑夫布卡(Jef D. Boeke)研究組以及無錫青蘭生物科技有限公司林繼偉研究組共同合作的一篇研究論文， 研究論文實現釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)十二號染色體的人工合成， 論文題為《在百萬級堿基量級合成染色體上編輯核糖體DNA》(Engineering the ribosomal DNA in a megabase synthetic chromosome)， 論文報導了目前世界上最長的真核線性染色體、全長為976,067個堿基的人工釀酒酵母十二號染色體的設計與合成。

戴俊彪研究組基於原始堿基序列設計出新的堿基序列， 並通過自主開發的分層組裝和後續改造方案最終獲得可在釀酒酵母體內正常發揮功能的合成十二號染色體(synXII)， 並對十二號染色體上編碼核糖體RNA的DNA序列(rDNA)開展了一系列工程化改造。 清華大學生命學院博士生張維民、趙廣厚和羅周卿為本文共同第一作者， 戴俊彪研究員為本文的通訊作者。

能否在實驗室構造具有生命特性的細胞一直是一個重要挑戰， 也是對生命起源的不懈探索。 隨著DNA合成技術的不斷發展， 很多基因材料都可以被化學合成出來。 時至今日， 科學家已經完成了病毒、噬菌體、細菌等物種的基因組設計與構建， 並且這些人工合成的基因組也能夠正常地完成自我複製和繁衍等生物功能。

最近， 來自美、中、英、澳大利亞和新加坡的科學家形成了一個國際聯盟， 共同開展第一個真核生物——釀酒酵母基因組的重新設計與建造， 該項基因組工程被簡稱為Sc2.0。 該工程強調對基因組的整體設計， 包括消除基因組中的轉座子、重複序列等可能的冗餘元件， 同時加入一些特定的元件， 如可以使基因組發生大規模變化的loxP序列等。 Sc2.0計畫基於“構建以助於理解”的合成生物學理念， 通過對釀酒酵母基因組的設計、合成以及改造， 以期能夠從全基因組水準更透徹的理解遺傳物質發揮功能的生物學機制、遺傳信息的傳遞與調控， 從而幫助人類有目的地設計和改造生命體， 實現預設功能， 有效解決人類目前面臨的環境污染、糧食短缺等重大挑戰。

在Sc2.0計畫中， 戴俊彪課題組主要負責攻克16條染色體中長度最長、功能最為特殊的十二號染色體的人工合成。 天然的釀酒酵母十二號染色體長度約為250萬個堿基對， 包括長約109萬個堿基對的染色體以及一個由約150個重複單元組成的rDNA區域。 後者形成了細胞核內一個特殊結構——核仁。 為了獲得具有完整生物學功能的釀酒酵母染色體， synXII的合成首次採用了分級組裝的策略(見圖1)：首先， 通過大片段合成序列， 在六個菌株中分別完成了對染色體不同區域內源DNA的逐步替換;然後， 利用酵母減數分裂過程中同源重組的特性， 將多個菌株中的合成序列進行合併，

獲得完整的合成型染色體。

rDNA的內部轉錄間隔區(ITS)在植物和真菌中一直被當作DNA分子標籤用於種屬的鑒定。 該序列能否被其他生物的相應序列替代而混淆物種鑒定是一個懸而未決的問題。 在synXII的組裝過程中， rDNA區域首先被完整的保留下來， 接著在合成染色體上被完全去除， 最後在基因組多個不同的位置上利用修飾過的rDNA單元進行了再生。 研究組利用貝酵母(Saccharomyces bayanus)的ITS序列成功重建並獲得沒有顯著表型缺陷的酵母。 該酵母按照DNA分子標籤可以被鑒定為貝酵母， 但其基因組中所有其他序列都來源於釀酒酵母。

synXII的合成不僅表明我們能夠設計並構建獲得含有百萬級堿基的合成染色體， 實現對高度重複的rDNA基因簇進行編輯與操控，

奠定了未來對其他超大、結構超複雜的基因組進行設計與編寫的基礎， 同時也證明了酵母基因組中rDNA區域及其他序列均具有驚人的靈活度與可塑性。

戴俊彪研究員詳細介紹了Sc2.0計畫的研究背景、概況和主要成果， 並闡述了課題組後續在合成基因組方向的工作和初步成果。 楊院士和元校長對synXII的合成表示了祝賀， 對染色體人工合成的工作進行了高度評價， 並對合成生物學的未來發展進行了展望。

本期《科學》雜誌以釀酒酵母合成染色體作為主題和封面， 同期刊出了戴俊彪研究組合作參與， 由美國紐約大學主要完成的六號染色體、華大基因和英國愛丁堡大學共同完成的二號染色體、天津大學主要完成的五號染色體以及法國巴斯德研究所主要完成的合成染色體3D結構等系列研究工作。

原文連結：

原文摘要：

We designed and synthesized a 976,067–base pair linear chromosome, synXII, based on native chromosome XII in Saccharomyces cerevisiae. SynXII was assembled using a two-step method, specified by successive megachunk integration and meiotic recombination-mediated assembly, producing a functional chromosome in S. cerevisiae. Minor growth defect “bugs” detected in synXII, caused by deletion of tRNA genes, were rescued by introducing an ectopic copy of a single tRNA gene. The ribosomal gene cluster (rDNA) on synXII was left intact during the assembly process and subsequently replaced by a modified rDNA unit used to regenerate rDNA at three distinct chromosomal locations. The signature sequences within rDNA, which can be used to determine species identity, were swapped to generate a Saccharomyces synXII strain that would be identified as Saccharomyces bayanus by standard DNA barcoding procedures.

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原文摘要：

We designed and synthesized a 976,067–base pair linear chromosome, synXII, based on native chromosome XII in Saccharomyces cerevisiae. SynXII was assembled using a two-step method, specified by successive megachunk integration and meiotic recombination-mediated assembly, producing a functional chromosome in S. cerevisiae. Minor growth defect “bugs” detected in synXII, caused by deletion of tRNA genes, were rescued by introducing an ectopic copy of a single tRNA gene. The ribosomal gene cluster (rDNA) on synXII was left intact during the assembly process and subsequently replaced by a modified rDNA unit used to regenerate rDNA at three distinct chromosomal locations. The signature sequences within rDNA, which can be used to determine species identity, were swapped to generate a Saccharomyces synXII strain that would be identified as Saccharomyces bayanus by standard DNA barcoding procedures.