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Science革命性突破:人工合成生命所需最小基因组

2016/03/28 来源:生物探索
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导读
在本周的Science上基因组测序先锋Craig Venter报告合成了一个含有最小基因组的微生物,被称为Syn 3.0。这个新生物的基因组被压缩只剩生存和繁殖必需的473个基因。


3月17日,生物探索编译了GEN杂志上《对话全球首个“合成细胞”科学家:“合成基因组学”的未来在哪里?》一文,文章中详细介绍了“基因学先驱”J. Craig Venter(雷格·文特尔)博士在2010年制造出全球首个利用化学物质合成其基因组的活细胞——Syn1.0的历程,当年该研究已经Science等杂志报道后,引起了科学界的巨大轰动,许多独立科学家和哲学家认为这是一个标志性突破。

全球首个“合成细胞”

在本周五(3月24日)的Science上基因组测序先锋Craig Venter报告合成了一个含有最小基因组的微生物;3月25日,Science、Nature、MIT等众多国际顶尖学术期刊报道了基因学先驱Venter博士在合成生物学上取得的又一里程碑研究,其团队创造了Syn1.0的升级版——基于丝状支原体的Syn3.0,后者构建出了目前世界上最小的“合成细菌细胞”。与人类携带的两万个基因相比,这个名为Syn3.0的人造细菌基因组仅有473个基因。


从Syn 1.0到Syn 3.0

生物学中的一个目标就是要了解一个细胞中美国基因的分子和生物学功能。实现的一个方法是构建一个只有生命必须基因的最小基因组。2010年,一个基于丝状支原体Mycoplasma mycoides 的基因组1079kb的JCV-syn1.0被化学合成移植到细胞之中能支持细胞的生长。这代表着世界上首个人造细胞生命的诞生,是人类科学史上的突破成果。在这个基础上将这个基因组减到531kb,473个基因。由此产生的JCVI-syn3.0保留如参与转录和翻译过程的关键基因,而且还包含149个未知基因的功能。


Venter和他的同事将含901个基因的Syn 1.0基因组分成八个部分。在每一段的开始和结束都加上可鉴定的DNA标记让片段更易于组装。这让他们将每部分作为独立的模块,按次序移除,删除DNA片段,然后将全基因组重新插入丝状支原体看能否产生一个活细胞。如果改变基因组是不可能的,他们就知道已经切断了一个必须恢复的基因。研究人员还通过转座子插入破坏基因活性来评估哪些对微生物是必须的。


这一切都让他们能够系统地消除非必须功能或者是重复功能的基因。最后他们团队构建了只有Syn 1.0一半基因的Syn 3.0。Syn 2.0是这个过程的中间状态,第一个比M. genitalium小的微生物。M. genitalium只有525个基因是自由生活的自然生物中含基因最少的。

最小基因组的结构和意义

三个周期的设计、合成和测试保留必需基因,产生JCVI-syn3.0(531个碱基对,473个基因)。小于任何自然界发现的任何自主复制基因组。JCVI-syn3.0保留几乎所有的参与和处理大分子合成的基因。出乎意料的是,它还含有149个未知生物功能的基因。JCVI-syn3.0产生与JCVI-syn1.0菌落形态相似的克隆需要加倍的180分钟的时间。用显微镜观察似乎是多形态的。

最小的细胞概念从概念上第一眼看上去很简单,但在仔细检查后变得更为复杂。除了必需和非必需基因,有许多准必需基因,虽不是生存至关重要的但是健壮生长所需的。因此,在基因组最小化的过程中,有一个基因组大小和增长率之间的权衡。JCVI-syn3.0近似于最小的细胞基因组,小的基因组和作为实验生物可行的生长率之间的一种折衷。它保留了所有参与合成和处理的大分子的基因。JCVI-syn3.0是研究生命的核心功能的通用平台和全基因组设计探索。但到完整的定义最小基因组还有很长的路要走,Syn 3.0的149个基因的功能,差不多三分之一仍然未知。研究者首要的任务是探索这些基因的作用,这对生命的基本生物学有新的启示。

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