两篇Cell+5篇Cell子刊首次成功在实验室中制造出合成基因组超过50%的酵母菌株

来自美国纽约大学、约翰霍普金斯大学、英国曼彻斯特大学、爱丁堡大学和德国欧洲分子生物学实验室和中国华大基因的研究人员将在实验室里制作的七条以上的合成染色体组合到一个酵母细胞中，得到了一种含有50%以上合成DNA的酵母菌株，它的存活和复制能力与野生酵母菌株相似。

相关研究成果于2023年11月8日以7篇论文的形式发表，其中2篇发表在Cell期刊上，论文标题分别为“Debugging and consolidating multiple synthetic chromosomes reveals combinatorial genetic interactions”和“Design, Construction, and Functional Characterization of a tRNA Neochromosome in Yeast”；4篇发表在Cell Genomics期刊上，论文标题分别为“Dissecting aneuploidy phenotypes by constructing Sc2.0 chromosome VII and SCRaMbLEing synthetic disomic yeast”、“Consequences of a telomerase-related fitness defect and chromosome substitution technology in yeast synIX strains”、“Rise of synthetic yeast: Charting courses to new applications”和“A spotlight on global collaboration in the Sc2.0 yeast consortium”；1篇发表在Molecular Cell期刊上，论文标题为“Manipulating the 3D organization of the largest synthetic yeast chromosome”。

这些论文展示了合成酵母基因组计划（Synthetic Yeast Genome Project）Sc2.0，即一个致力于从头开始开发首个合成真核生物基因组的全球联盟。这些作者如今合成并调试了全部十六条酵母染色体。

曼彻斯特大学合成生物学家 Yizhi Cai 说，“我们的动机是通过构建合成基因组来了解基因组的基本原理。我们如今重写了酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）的操作系统（即基因组），这开启了工程生物学的新纪元---从修补少量基因到从头设计和构建整个基因组。”

虽然此前已经合成了细菌和病毒基因组，但这将是第一个合成的真核生物基因组，它带来了多条染色体的复杂性。这种合成酵母也是一种“定制”基因组，与它所基于的天然酿酒酵母基因组有很大不同。

Sc2.0 项目负责人、纽约大学朗格尼医学中心合成生物学家Jef Boeke说，“我们认为，生产出一种与自然设计有很大不同的东西非常重要。我们的首要目标是制造出一种能让我们学到新生物学知识的酵母。”

为此，这些作者移除了大块的非编码DNA和以前被视为“垃圾DNA”的重复序列元件，添加了新的DNA片段，以帮助他们更容易地区分合成基因和天然基因，并引入了一个名为 “SCRaMbLE”的内置多样性生成器，它可以改变染色体内部和染色体之间的基因顺序。

图片来自Cell, 2023, doi:10.1016/j.cell.2023.09.025。

为了提高基因组的稳定性，这些作者还移除了许多编码转运核糖核酸（tRNA）的基因，并将它们转移到一条全新的仅由tRNA基因组成的“新染色体（neochromosome）”上。Cai 说，“这条tRNA新染色体是世界上第一个完全从头合成的染色体。自然界中不存在这样的东西。”

由于酵母基因组由 16 条染色体组成，这些作者首先将每条染色体独立组装，创造出 16 种部分合成的酵母菌株，每种酵母菌株包含 15 条天然染色体和 1 条合成染色体。下一个挑战是开始将这些合成染色体组合成单个酵母细胞。

为此，Boeke 团队首先使用了一种类似孟德尔豌豆的方法：本质上，他们将不同的部分合成酵母菌株进行杂交，然后在它们的后代中寻找携带两条合成染色体的个体。这种方法虽然有效，但却非常缓慢，不过该团队还是逐渐将所有先前合成的染色体--六条完整染色体和一条染色体臂---整合到了单个酵母细胞中。由此产生的酵母菌株合成率超过 31%，形态正常，与野生型酵母相比，只表现出轻微的生长缺陷。

为了更有效地在酵母菌株之间转移特定染色体，这些作者开发了一种称为染色体替换（chromosome substitution）的新方法。作为概念验证，他们利用染色体替换转移了一条新合成的染色体（IV号染色体，所有合成染色体中最大的一条），从而得到了一个拥有7.5条合成染色体的酵母细胞，其合成率超过50%。

当这些合成染色体被整合到单个酵母菌株中时，这些作者检测到了几个遗传缺陷，而这些缺陷在只携带一条合成染色体的酵母菌株中是看不到的。Boeke说，“我们原则上知道这种情况可能会发生---我们可能会有大量具有微小影响的东西，当把它们放在一起时，可能最终会导致灭亡。”

其中的一些缺陷仅仅是由于基因组中许多微小缺陷的叠加影响造成的，而另一些缺陷则涉及不同合成染色体上基因之间的遗传相互作用。这些作者利用一种基于CRISPR/Cas9的方法，绘制并修复了其中的几个缺陷，从而提高了合成酵母的适应性。

Boeke 说，“我们如今证实我们基本上可以合并一半的基因组，并获得良好的适应性，这表明这不会是一个大问题。从调试中，我们学到了生命规则的新变化。”

下一步将是整合剩余的合成染色体。Boeke说，“如今，我们距离在单个细胞中拥有全部 16 条合成染色体的终点线只有这么远了。我喜欢把这称为开始的结束，而不是结束的开始，因为真正的结束是我能够开始生产出可以做我们从未见过的事情的酵母。”

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