Only Perception: 第一個「設計師真核細胞染色體」在酵母內合成

2014-04-01

第一個「設計師真核細胞染色體」在酵母內合成

First functional 'designer' chromosome synthesized in yeast
http://phys.org/news/2014-03-functional-chromosome-yeast.html

2014.03.27

一個由 Jef Boeke，PhD（NYU Langone 醫學中心系統遺傳學研究所所長）所領導的跨國團隊，在酵母中合成出第一個起作用的染色體，這在新興的合成生物學（synthetic biology，指設計微生物以製造新藥，為食品與生質燃料生產原料）中是很重要的一步。

過去五年來，科學家曾打造出細菌染色體以及病毒 DNA，不過這次卻是整個真核細胞染色體（eukaryotic chromosome，這種在所有植物與動物細胞核內之線狀結構，攜帶基因）從頭開始打造的第一份報告。研究者說，他們團隊的整體努力，也代表自 1996 年來最重要的酵母遺傳學進展，那時科學家初步測繪出酵母所有的 DNA 編碼，或稱遺傳藍圖。

"我們的研究將合成生物學的指針從理論移到真實，" Dr. Boeke 表示，
一位合成生物學先驅，他最近從 Johns Hopkins 大學跳槽到 NYU Langone。

"這項研究代表著在「建構合成酵母的所有基因組」的跨國努力中，迄今所跨出最大的一步，" Dr. Boeke 說。

"這是目前所打造過，改變最廣泛的染色體。不過真正的里程碑在於，將染色體整合到活生生的酵母菌內。我們已證明，帶有這種合成染色體的酵母完全正常。它們的表現幾乎與天然酵母（wild yeast，野生酵母）一樣，差別只在於它們具有新的能力，而且能做到天然酵母所做不到的事。"

在本週 3/27 當期的 Science 期刊線上版內，該團隊報告，他們如何利用電腦輔助設計（CAD），建立一個完整有用的染色體，他們稱之為 synIII，並成功地將之合併到啤酒酵母中，科學界稱此酵母為「Saccharomyces cerevisiae（釀酒酵母）」。

花費七年心血所建立的 synIII 約由 273,871 個 DNA 鹼基對所組成，短於原天然酵母的 316,667 個鹼基對。Dr. Boeke 與其團隊在其基因鹼基中進行超過 500 種以上的改變，移除大約 47,841 個重複的 DNA 鹼基對片段，對染色體複製與生長而言，那被視為非必要。被移除的部份還包括大家所謂的垃圾 DNA（junk DNA），包含已知不具任何特定蛋白質編碼的鹼基對，以及會到處隨意移動並造成突變的 "跳躍基因（jumping gene）" 片段。其他幾組鹼基對則被添加或改變，使研究者能將 DNA 標定為合成或天然的，或著移動、刪除 synIII 上的基因。

"當你改變基因組時，你就是在賭。一個錯誤的改變會殺死細胞，" Dr. Boeke 說。"我們染色體中的 DNA 編碼進行超過 50,000 次改變，而我們的酵母仍然活著。那很不可思議。那證明我們合成染色體很強健（hardy），而且它賦予酵母新的特性。"

這個艱鉅的任務受大約 60 位參與「Build a Genome」計畫（由 Dr. Boeke 在 Johns Hopkins 成立）之在學生的幫助。在這項由 Srinivasan Chandrasegaran, PhD（Johns Hopkins 的教授）所領導的嘗試中。學生們將短合成 DNA 片段拼湊成 750 到 1,000 個鹼基對或以上的延伸物。Chandrasegaran 亦是 synIII 研究團隊的資深研究者。

學生的參與，開始了一項國際性合作，簡稱 Sc2.0，在其中數個學術單位的研究者一起合作重構整個酵母基因組，包括來自中國、澳洲、新加坡、英國以及美國大專院校的合作者。

酵母染色體 III（Yeast chromosome III）獲選要進行合成，因為那是酵母 16 條染色體中最小的一個，同時控制酵母細胞如何配對與經歷遺傳變化。DNA 由四種特定字母的鹼基巨分子在配對組（或鹼基對）中，以重複字母的模式，串在一起組成。「A」代表腺嘌呤（adenine）與「T」胸腺嘧啶（thymine）配對，而「C」代表胞嘧啶（cytosine，譯註，原文誤寫為半胱氨酸／cysteine）與「G」鳥糞嘌呤（guanine）配對。堆疊時，這些鹼基對會形成 DNA 的螺旋結構，形似扭轉的梯子。

酵母大約有 1/3 的基因（約 6000 個）-- 染色體 DNA 的功能單元，用來將蛋白質編碼 -- 與人類共有。該團隊能利用一種稱為打亂（scrambling，置亂、擾亂、打散）的技術（那允許科學家如洗一組牌般重組基因，在此，每個基因都是一張牌）來操縱大段的酵母 DNA 而不會危及染色體的生存能力與機能。"我們能把任何一組牌拉在一起，切換順序同時產生數不清的牌組，這全都在一小根試管的酵母中，" Dr. Boeke 表示。"現在我們能洗基因組的牌，那將允許我們問：我們能以更好的手氣製造一組牌，使酵母在任何一種多重的狀態下存活？例如能容受更高的酒精濃度。"

利用打亂技術研究者表示，他們將能夠更快開發出合成酵母品種，那能夠用於製造稀有藥物，例如治療瘧疾的青蒿素（artemisinin），或是生產某種疫苗，包括 B 肝疫苗，那源自於酵母。他們表示合成酵母也能用於支持更有效率之生物燃料的發展，例如酒精、丁醇與生質柴油。

Dr. Boeke 表示，在理解整個遺傳網路如何界定個別生物行為的努力上，這項研究亦有可能促進實驗室在特定基因功能與基因的交互作用上有所創新。

他們初步成功重建一個有效的染色體，將很有可能導致其他酵母染色體的構建（酵母共有 16 條染色體，而人有 23 對），並使遺傳研究更接近建構生物體的整個功能性基因組，Dr. Boeke 說。

Dr. Boeke 表示，這個跨國團隊接下來將以更快、更廉價的方式合成更大的酵母染色體。他的團隊，在「Build a Genome」學生進一步的支持下，準備要研究以 10,000 個鹼基對以上的團塊（chunks）來組合鹼基對。他們亦計畫研究 synIII，在此他們會打亂染色體、移除、重複或改變基因順序。

此指標性研究過程的細節（略譯）

Before testing the scrambling technique, researchers first assessed synIII's reproductive fitness, comparing its growth and viability in its unscrambled from—from a single cell to a colony of many cells—with that of native yeast III. Yeast proliferation was gauged under 19 different environmental conditions, including changes in temperature, acidity, and hydrogen peroxide, a DNA-damaging chemical. Growth rates remained the same for all but one condition.

Further tests of unscrambled synIII, involving some 30 different colonies after 125 cell divisions, showed that its genetic structure remained intact as it reproduced. According to Dr. Boeke, individual chromosome loss of one in a million cell divisions is normal as cells divide. Chromosome loss rates for synIII were only marginally higher than for native yeast III.

To test the scrambling technique, researchers successfully converted a non-mating cell with synIII to a cell that could mate by eliminating the gene that prevented it from mating.

Before testing the scrambling technique, researchers first assessed synIII's reproductive fitness, comparing its growth and viability in its unscrambled from—from a single cell to a colony of many cells—with that of native yeast III. Yeast proliferation was gauged under 19 different environmental conditions, including changes in temperature, acidity, and hydrogen peroxide, a DNA-damaging chemical. Growth rates remained the same for all but one condition.
Further tests of unscrambled synIII, involving some 30 different colonies after 125 cell divisions, showed that its genetic structure remained intact as it reproduced. According to Dr. Boeke, individual chromosome loss of one in a million cell divisions is normal as cells divide. Chromosome loss rates for synIII were only marginally higher than for native yeast III.
To test the scrambling technique, researchers successfully converted a non-mating cell with synIII to a cell that could mate by eliminating the gene that prevented it from mating.

Read more at: http://phys.org/news/2014-03-functional-chromosome-yeast.html#jCp

※ 相關報導：

＊ Total Synthesis of a Functional Designer Eukaryotic Chromosome
http://dx.doi.org/10.1126/science.1249252

Narayana Annaluru, Héloïse Muller, Leslie A. Mitchell....
Remus Wong, Wei Rose Xie, Yijie Xu, Allen T. Yu,
Romain Koszul, Joel S. Bader, Jef D. Boeke,
Srinivasan Chandrasegaran 等人。
Science 2014.03.27
doi: 10.1126/science.1249252