捅破生命界限的“窗戶紙”
——世界首例人造單條染色體真核細(xì)胞誕生的故事

文/沈慧

對(duì)中科院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心/植物生理生態(tài)研究所研究員覃重軍來(lái)說(shuō)，這一次他和偶像的“重逢”有點(diǎn)獨(dú)特。8月2日，國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然》同時(shí)在線發(fā)表了兩篇有關(guān)酵母染色體的成果，一篇來(lái)自覃重軍團(tuán)隊(duì)，另一篇?jiǎng)t來(lái)自酵母染色體人工合成領(lǐng)域的“老將”——美國(guó)科學(xué)院院士杰夫·博伊克。

不同的是，這一次覃重軍團(tuán)隊(duì)領(lǐng)先一步，在國(guó)際上首次人工創(chuàng)建了自然界中本不存在的簡(jiǎn)約生命——僅含單條染色體的酵母真核細(xì)胞?！霸摮晒屖澜缌私獾缴问娇梢酝ㄟ^(guò)人工改造化繁為簡(jiǎn)，也意味著自然生命的界限可以被人為打破，甚至可以人工創(chuàng)造全新的自然界不存在的生命?！瘪剀娊忉尅?/p>

大膽猜想——人工合成僅含單條染色體的真核生物

自然界中的生命體大體分為兩類，一類是染色體細(xì)胞核被核膜包裹的真核生物，如人類、動(dòng)物、植物、真菌、酵母；一類是染色體裸露無(wú)核膜包裹的原核生物，如細(xì)菌。在自然界漫長(zhǎng)的進(jìn)化過(guò)程中，不同生命體逐漸形成了自身特有的基因組，包括相對(duì)固定的染色體數(shù)目。

不過(guò)，攜帶了生命體生長(zhǎng)與繁殖遺傳信息的染色體數(shù)量因物種而異：人類擁有23對(duì)染色體，近親猿類有24對(duì)，小鼠有20對(duì)，果蠅有4對(duì)……為何染色體數(shù)目參差不齊？特定的染色體數(shù)量是否給特定物種提供了某種優(yōu)勢(shì)？這些未知事關(guān)生命本質(zhì)，也激起了覃重軍的好奇心。

“含有多條線型結(jié)構(gòu)染色體的真核生物，是否也能像原核生物一樣，用一條染色體裝載所有遺傳物質(zhì)并實(shí)現(xiàn)正常的細(xì)胞功能？”“是否可以人造一個(gè)含有單條染色體的真核生物，使其具備正常的細(xì)胞功能？”這些大膽設(shè)想在覃重軍腦中盤旋了很久，最終被付諸實(shí)踐。

覃重軍的“異想天開(kāi)”并非毫無(wú)科學(xué)根據(jù)。2010年，曾領(lǐng)銜人類基因組計(jì)劃的美國(guó)科學(xué)家克雷格·文特爾和他的科研團(tuán)隊(duì)已在《科學(xué)》雜志報(bào)道了世界首個(gè)“人造生命”——含有全化學(xué)合成的與天然染色體序列幾乎相同的，由基因組控制的原核生物——支原體，由此引起了轟動(dòng)。2017年，美國(guó)紐約大學(xué)朗格尼醫(yī)學(xué)中心杰夫·博伊克教授領(lǐng)導(dǎo)的包括中國(guó)團(tuán)隊(duì)在內(nèi)的全球協(xié)作組完成了釀酒酵母5條染色體的化學(xué)合成，成功提供了第二個(gè)實(shí)證。

目標(biāo)已定，覃重軍將試驗(yàn)對(duì)象鎖定在釀酒酵母身上。面對(duì)眾多真核生物，之所以選中釀酒酵母而非其他，覃重軍有兩方面的考量：一是釀酒酵母有1/3的基因與人類基因同源；二是相比其他動(dòng)植物，釀酒酵母遺傳背景更清晰，操作更方便。

“作為一種單細(xì)胞真核生物，如果科學(xué)家在釀酒酵母上有了新發(fā)現(xiàn)，相關(guān)研究成果或許可以推廣應(yīng)用到高等動(dòng)植物上?！瘪剀娬f(shuō)。

基因“魔剪”——剪掉冗余重復(fù)基因信息

酵母是研究染色體異常重要的模型材料，全球上萬(wàn)名科學(xué)家對(duì)其潛心鉆研已有半個(gè)多世紀(jì)。然而，2013年，隨著試驗(yàn)啟動(dòng)，“人工合成單染色體酵母？覃老師您瘋了吧！”此類質(zhì)疑紛至沓來(lái)。

“沒(méi)有大膽的猜想，就做不出偉大的發(fā)現(xiàn)?！泵鎸?duì)質(zhì)疑，覃重軍用牛頓的這句話反復(fù)自我告誡。彼時(shí)，覃重軍還不知道，世界的另一個(gè)角落，杰夫·博伊克也開(kāi)始了酵母染色體融合的研究。

理想很豐滿，現(xiàn)實(shí)很骨感。以染色體融合為例。一條完整的真核線型染色體通常包含一個(gè)用于染色體分離的著絲粒和兩個(gè)用于保護(hù)染色體末端的端粒。為實(shí)現(xiàn)兩條染色體的融合，不僅需要將兩條染色體的兩個(gè)端粒去除后相互連接起來(lái)，同時(shí)還需要將兩條染色體中一條的著絲粒去除，從而保證染色體在細(xì)胞分裂過(guò)程中正常分離。怎么辦？沒(méi)有任何經(jīng)驗(yàn)可借鑒的覃重軍帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)摸著石頭過(guò)河。

功夫不負(fù)有心人。經(jīng)過(guò)4年努力攻關(guān)，15輪染色體融合，覃重軍團(tuán)隊(duì)最終成功創(chuàng)建了只有一條線型染色體的釀酒酵母真核細(xì)胞——釀酒酵母菌株SY14。這也是國(guó)際首例人造單染色體真核細(xì)胞。

這一人工合成的“新生命”后續(xù)表現(xiàn)如何？覃重軍研究組進(jìn)一步與中科院合成生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室趙國(guó)屏院士研究組、中科院生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究所周金秋研究員研究組、菲沙基因信息公司團(tuán)隊(duì)等合作，深入鑒定SY14的代謝生理和繁殖功能，以及其染色體的三維結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，將釀酒酵母攜帶的16條天然染色體人工合成為具有功能的單條巨大染色體后獲得的釀酒酵母，其染色體結(jié)構(gòu)盡管發(fā)生了巨變，細(xì)胞生長(zhǎng)卻跟原來(lái)一模一樣，功能也幾乎是一樣的。從基礎(chǔ)研究的角度來(lái)說(shuō)，這是人工造出了一個(gè)簡(jiǎn)約化的生命體?！斑@一結(jié)果顛覆了染色體三維結(jié)構(gòu)決定基因時(shí)空表達(dá)的傳統(tǒng)觀念，也由此揭示了染色體三維結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)細(xì)胞生命功能的全新關(guān)系。”覃重軍表示。

“杰夫·博伊克團(tuán)隊(duì)始終無(wú)法獲得僅有一條染色體的細(xì)胞，最終只獲得了含有兩條染色體的酵母?！瘪剀姴聹y(cè)，這或許是因?yàn)樗麄儧](méi)有刪除染色體上的許多重復(fù)序列，而覃重軍研究團(tuán)隊(duì)利用基因“魔剪”大膽剪掉了很多染色體中冗余的重復(fù)基因信息，使得染色體在融合時(shí)可以變得更加穩(wěn)定。

重要意義——打開(kāi)人造生命的大門

端粒是線型染色體末端的保護(hù)結(jié)構(gòu)，有關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，人類的過(guò)早衰老、腫瘤形成等都與染色體的端粒縮短密切相關(guān)。“與天然酵母的32個(gè)端粒相比，人工合成的單條線型染色體僅有2個(gè)端粒，更簡(jiǎn)單直觀，這為研究人類端粒功能及細(xì)胞衰老提供了很好的模型?！瘪剀娬f(shuō)。

在中科院前沿科學(xué)與教育局生命科學(xué)處處長(zhǎng)沈毅看來(lái)，通過(guò)人工改造，將天然復(fù)雜的酵母染色體以全新的簡(jiǎn)約化形式表現(xiàn)出來(lái)，是繼原核細(xì)菌“人造生命”之后的一個(gè)重大突破。單染色體酵母的“誕生”，連同我國(guó)科學(xué)家參與的酵母染色體全人工合成工作，是繼20世紀(jì)60年代人工合成結(jié)晶牛胰島素和酵母丙氨酸轉(zhuǎn)移核糖核酸之后，我國(guó)學(xué)者再一次利用合成科學(xué)策略，去回答生命科學(xué)領(lǐng)域重大的基礎(chǔ)問(wèn)題，這是合成生物學(xué)“建物致知”理念的生動(dòng)體現(xiàn)，為人類對(duì)生命本質(zhì)的研究開(kāi)辟了新方向。

當(dāng)然，表現(xiàn)也并非完美。覃重軍坦陳，融合后的染色體菌株表現(xiàn)出小的適應(yīng)性限制和有性生殖缺陷，這些發(fā)現(xiàn)或有助于解釋擁有較多染色體的優(yōu)勢(shì)?！皢稳旧w酵母的‘誕生’打開(kāi)了人造生命的大門。就像人類第一次造出的火車，可能跑得還不如馬車快，但隨著技術(shù)的進(jìn)步，這些問(wèn)題可以逐一解決。”（據(jù)《經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)》）